Optimización de la demanda energética de una industria de ...

Alumno: Diego Guijarro Martin

Optimización de la demanda energética de

una industria de soplado de plástico.

Tutor: Rafael Royo Pastor

Co-tutor: Javier Biosca Taronger

Grado en Ingeniería Mecánica

Septiembre 2015

Optimización de la demanda energética de una industria de soplado de plástico

2

TABLA DE CONTENIDOS

Índice de figuras…………………………………………………………………………………………………………..4 Índice de gráficos………………………………………………………………………………………………………….5 Índice de tablas…………………………………………………………………………………………………………….7

1 Consideraciones previas .................................................................................... 9

1.1 Introducción ....................................................................................................... 9

1.2 Objeto .............................................................................................................. 11

1.3 Antecedentes ................................................................................................... 11

1.4 Limitaciones ..................................................................................................... 11

1.4.1 Limitación de la demanda energética ...................................................... 12

1.4.2 Limitación debida a condensaciones ........................................................ 12

1.5 Eficiencia energética ........................................................................................ 22

1.6 Configuración del modelo en Trnsys ............................................................... 23

1.6.1 Trnsys Simulation Studio .......................................................................... 24

2 Modelo estudiado ........................................................................................... 27

2.1 Localización ...................................................................................................... 27

2.2 Elementos constructivos .................................................................................. 28

2.3 Zonificación ...................................................................................................... 30

2.4 Condiciones interiores de diseño .................................................................... 33

2.5 Ganancias internas ........................................................................................... 33

2.6 Equipos preexistentes ...................................................................................... 34

3 Condiciones meteorológicas y energéticas....................................................... 36

3.1 Condiciones exteriores .................................................................................... 36

3.1.1 Temperatura y humedad relativa ............................................................. 37

3.1.2 Radiación solar.......................................................................................... 39

3.2 Condiciones interiores ..................................................................................... 41

3.2.1 Temperatura ............................................................................................. 42

3.2.2 Humedad relativa ..................................................................................... 44

3.2.3 Radiación solar absorbida por los cerramientos exteriores ..................... 45


3

3.2.4 Sensibilidad del caudal de ventilación en la simulación ........................... 46

3.2.5 Demanda energética ................................................................................ 48

4 Soluciones para la optimización de la demanda ............................................... 51

4.1 Planteamiento y simulación de las mismas ..................................................... 51

4.1.1 Sustitución del vidrio de cerramientos externos ..................................... 51

4.1.2 Aplicación de sistemas de sombreamiento .............................................. 57

4.1.3 Reducción de las superficies acristaladas ................................................. 70

4.1.4 Sistemas de ventilación ............................................................................ 71

4.2 Evaluación de ventajas e inconvenientes de cada solución y determinación de

la solución óptima ...................................................................................................... 73

5 Resultados ...................................................................................................... 75

5.1 Demanda optimizada de calefacción y refrigeración ..................................... 75

5.2 Radiación solar recibida por los cerramientos exteriores ............................... 77

5.3 Temperaturas interiores .................................................................................. 77

5.4 Ahorro energético ............................................................................................ 78

5.5 Ahorro económico ........................................................................................... 79

6 Conclusiones ................................................................................................... 82

7 Bibliografía ..................................................................................................... 83

8 Anexos ............................................................................................................ 84

8.1 Anexo 1 ............................................................................................................ 84

8.2 Anexo 2 ............................................................................................................ 85

8.3 Anexo 3 ............................................................................................................ 86

8.4 Anexo 4 ............................................................................................................ 87

9 Presupuesto del estudio .................................................................................. 88


4

Índice de figuras

Figura 1. Diagrama psicométrico vapor agua – aire a 1 atm. ......................................... 14

Figura 2. Representación gráfica del control diferencial de temperatura ..................... 25

Figura 3. Fachadas exteriores del edificio de estudio ................................................... 27

Figura 4. Sistema de climatización mixto mediante ventilación por plenum. ............... 34

Figura 5. Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el aire

exterior expresadas en m2K/W ...................................................................................... 54

Figura 6. Factor de sombra para voladizos ..................................................................... 58

Figura 7. Factores de sombra para toldos según el DA-DB-HE1 .................................... 61

Figura 8. Factores de sombra para lamas horizontales y verticales según el DA-DB-HE1

........................................................................................................................................ 65


5

Índice de gráficos

Gráfico 1.Temperatura y humedad relativa exterior en la segunda semana de Enero . 38

Gráfico 2. Temperatura y humedad relativa exterior en la tercera semana de julio .... 39

Gráfico 3. Radiación solar total en la segunda semana de Enero .................................. 40

Gráfico 4. Radiación solar total en la tercera semana de Julio ...................................... 41

Gráfico 5. Comparativa temperatura interior de la oficina con las condiciones exteriores

en Enero. ......................................................................................................................... 42

Gráfico 6. Comparativa de la temperatura en la oficina con las condiciones exteriores en

Julio. ................................................................................................................................ 43

Gráfico 7. Comparativa de la humedad relativa de la oficina con las condiciones

exteriores en la segunda semana de enero. .................................................................. 44

Gráfico 8. Comparativa de la humedad relativa de la oficina para la tercera semana de

julio. ................................................................................................................................ 45

Gráfico 9. Radiación global total incidente por los cerramientos exteriores durante la

segunda semana de enero y la tercera semana de julio. .............................................. 46

Gráfico 10. Variación de la demanda de refrigeración en función del caudal de

ventilación ...................................................................................................................... 47

Gráfico 11. Demandas de refrigeración y calefacción mensuales totales para cada mes

del año. ........................................................................................................................... 49

Gráfico 12. Radiación solar transmitida al interior de la “oficina” el 14 de julio para cada

vidrio. .............................................................................................................................. 56

Gráfico 13. Irradiancia solar total recibida para la segunda semana de Enero. ............ 59

Gráfico 14. Irradiancia solar total recibida para la tercera semana de Julio. ................ 60

Gráfico 15. Radiación total directa recibida en toda la orientación Sur-Este el 20 de julio.

........................................................................................................................................ 63

Gráfico 16. Radiación total directa recibida en toda la orientación Sur el 20 de julio. . 63

Gráfico 17. Radiación global en el Sur-Oeste el 20 de julio........................................... 67

Gráfico 18. Radiación global en el Sur-Este el 20 de julio. ............................................. 68

Gráfico 19. Radiación global recibida en el Sur el 20 de julio. ....................................... 69

Gráfico 20. Evolución de la temperatura interior de la oficina según el tipo de ventilación

nocturna ......................................................................................................................... 72

Gráfico 21. Comparación de la demanda total de las zonas climatizadas .................... 76


6

Gráfico 22. Comparación de la demanda de refrigeración mensual después de la

optimización. .................................................................................................................. 77

Gráfico 23. Resultado de la evolución de la temperatura interior para la tercera semana

de julio. ........................................................................................................................... 78


7

Índice tablas

Tabla 1. Presiones de vapor para cada capa del cerramiento analizado ....................... 22

Tabla 2. Composición del muro exterior perteneciente a la zona de producción ......... 28

Tabla 3. Composición del muro comprendido entre la zona de producción y las oficinas

........................................................................................................................................ 29

Tabla 4. Composición del muro interior perteneciente a las oficinas ............................ 29

Tabla 5. Composición del cerramiento acristalado situado en el muro de fachada ...... 29

Tabla 6. Composición del forjado en contacto con otra planta ..................................... 30

Tabla 7. Características de las zonas a estudiar ............................................................. 32

Tabla 8. Ubicación y superficie de los huecos con cerramientos acristalados .............. 32

Tabla 9. Condiciones interiores de diseño ..................................................................... 33

Tabla 10. Ganancias internas según cada zona .............................................................. 34

Tabla 11. Sensibilidad del caudal de ventilación en la demanda de refrigeración ........ 47

Tabla 12. Demanda de calefacción y refrigeración total mensual inicial ...................... 48

Tabla 13. Demandas de refrigeración y calefacción para cada zona climatizada .......... 49

Tabla 14. Características principales de los vidrios estudiados ..................................... 55

Tabla 15. Demandas energéticas según cada vidrio simulado. ...................................... 56

Tabla 16. Estudio de la longitud del voladizo ................................................................. 59

Tabla 17.Valores definidos para la creación de la ecuación de la recta para el toldo solar

........................................................................................................................................ 62

Tabla 18. Demandas energéticas aplicando la solución del toldo solar ........................ 64

Tabla 19. Valores definidos para la creación de la recta de la lama vertical Sur-Oeste 65

Tabla 20. Valores definidos para la creación de la recta de la lama vertical Sur-Oeste 66

Tabla 21. Valores definidos para la creación de la recta de la lama horizontal. ............ 66

Tabla 22. Demandas totales del caso original y con lamas. ........................................... 69

Tabla 23. Comparativa de las soluciones alternativas para sistemas de sombreamiento

........................................................................................................................................ 70

Tabla 24. Muro composición 1 utilizada en sustitución del cerramiento acristalado ... 70

Tabla 25. Demandas totales según la superficie de los cerramientos acristalados ....... 71

Tabla 26. Demandas energéticas para cada tipo de ventilación nocturna simulada. ... 73

Tabla 27. Resultado de la optimización de las demandas energéticas para cada zona

climatizada ...................................................................................................................... 75


8

Tabla 28.Resultados de la optimización de las demandas energéticas para cada mes del

año. ................................................................................................................................. 76

Tabla 29. Porcentaje del ahorro mensual y anual en la refrigeración ........................... 79

Tabla 30. Coste eléctrico mensual .................................................................................. 80

Tabla 31. Coste económico mensual .............................................................................. 81

Tabla 32. Transmitancias límite para la zona climática B3 ............................................. 84

Tabla 33. Condiciones exteriores para distintas localidades según el apéndice C del DA-

DB-HE-2 ........................................................................................................................... 85


9

1 Consideraciones previas

1.1 Introducción

Hasta la fecha la principal preocupación a la hora de diseñar una instalación de

climatización era la fijación de los límites superiores e inferiores a lo que respecta la

calefacción y la refrigeración respectivamente, es por ello por lo que aparecieron

programas para el cálculo de las cargas térmica. El principal problema de este tipo de

dimensionamientos es que no se atiende al funcionamiento de los equipos para cargas

parciales, solo para condiciones límites. Debido a esto no se suele tener en cuenta la

vida útil de las instalaciones.

Entonces, ¿cómo podemos conocer la relación entre el coste de un mejor diseño de un

edificio o una instalación con el ahorro efectivo que se produce durante su vida útil? La

simulación de la repercusión esperada anual de una acción es la respuesta.

Según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), la simulación

térmica de edificios trata de estimar el comportamiento térmico de las zonas que

conforman el edificio y las prestaciones que están dando las máquinas en las

condiciones de trabajo puntuales en cada instante de tiempo, con el fin de integrarlas

durante el tiempo simulado.

Los objetivos que se persiguen son la estimación de consumos de energía, análisis de

estrategias de control, evolución de la temperatura y humedad relativa en las diferentes

zonas que permitan un ahorro energético con la consiguiente reducción de emisiones

de CO2.

Un correcto diseño en una edificación supone:

Ahorro energético de refrigeración y calefacción, ya que se reducen las pérdidas

o ganancias producida en los cerramientos.

Mejora considerable del confort térmico debido a la reducción de la diferencia

de temperatura respecto a la temperatura exterior.

Eliminación de fenómenos como condensaciones y humedades.

Mantener el calor obtenido para los meses de otoño e invierno.

Reducción de la entrada excesiva de calor y radiación en los meses cálidos.

Según Código Técnico de Edificación, “el objetivo del Ahorro de energía consiste en

conseguir un uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios,

reduciendo a límites sostenibles su consumo…”1.

1 Artículo 15 del Documento Básico de Ahorro de Energía del Código Técnico de Edificación.


10

Los principales conceptos térmicos que trataremos a lo largo de todo el desarrollo del

presente proyecto son los siguientes:

Conductividad térmica (λ): propiedad física de los materiales que mide la

facilidad del paso de calor a través de ellos en un espesor de un metro. Es

utilizado para la selección de aislantes. Su unidad de medida es (W/mkg)

Resistencia térmica (R): propiedad física que mide la oposición de un material al

paso de calor a través de él. Es frecuentemente utilizado para comparar aislantes

con diferente espesor y conductividad. Su unidad de medida es (m2K/W)

Transmitancia térmica (U): propiedad física de los materiales que mide la

cantidad de calor que atraviesa un elemento. Es una propiedad utilizada para el

cálculo de las pérdidas o ganancias de los cerramientos para el análisis de la

envolvente térmica2. Su unidad de medida es (W/m2K)

Inercia térmica: propiedad física que indica la cantidad de calor que puede

conservar un cuerpo y la velocidad con que lo cede o absorbe. Este valor

depende de la masa térmica, el calor específico y el coeficiente de conductividad

térmica.

Calor específico: magnitud física que representa la cantidad de calor que hay que

suministrarle a una unidad de masa para elevar su temperatura en una unidad.

Masa térmica: capacidad potencial de almacenamiento de calor en un elemento

o sistema.

Para entender la importancia de los materiales aislantes, comparativamente, 9 cm de

fibra de vidrio nos proporcionan el mismo aislamiento que 3,6 m de hormigón.

Debido a la investigación y la búsqueda de nuevos materiales y composiciones para los

cerramientos, en la actualidad se empiezan a emplear gases diferentes del aire para el

relleno de los aslamientos.

El correcto aislamiento para la mejora de la envolvente térmica es imprescindible, como

también lo es el apropiado uso de elementos de sombreamiento, como son persianas,

toldos, lamas y voladizos. Dichos elementos evitan la entrada de radiación solar directa.

Se deben instalar siempre en la zona exterior para evitar la acumulación de calor en el

interior debido a dicha radiación.

2 Envolvente térmica: conjunto de cerramientos que separa el ambiente exterior del interior.


11

1.2 Objeto

El objeto del presente proyecto es el estudio térmico de la industria real Plastisax,

situada en el Polígono Industrial El Castillo C/París Parcela W Apdo.81 03630 Sax,

Alicante. Mediante el estudio térmico enfocado a las oficinas climatizadas de dicha

industria calcularemos la necesidad energética para mantener las condiciones de

confort. Para ello utilizaremos un software informático llamado Trnsys para la

simulación de todas las zonas de nuestro edificio atendiendo a todas las superficies,

elementos, personas y equipos que puedan introducir una carga térmica. Una vez

realizada la simulación procederemos a la mejora de la envolvente térmica para reducir

la demanda energética y mejorar las condiciones de confort de los usuarios de la

industria mediante técnicas de sombreamiento, aislamiento y ventilación. A partir de las

soluciones alternativas analizadas, elegiremos la óptima y observaremos los cambios en

los parámetros principales tales como la demanda energética en calefacción y

refrigeración, la radiación solar recibida por los cerramientos exteriores y los ahorros

energéticos producidos al adoptar dichas medidas.

Para acabar el proyecto realizaremos una estimación del ahorro económico que

supondría emplear dichas mejoras mediante el cálculo del consumo eléctrico a lo largo

del año y atendiendo al tipo de tarifa eléctrica que dispone la industria actualmente.

1.3 Antecedentes

Los principales motivos que han llevado a la realización de este proyecto han sido la

necesidad de la mejora de confort en las zonas climatizadas de la industria analizada,

principalmente en las zonas orientadas al sur, las cuales disponen de cerramientos

acristalados que alcanzan altas temperaturas en los meses más cálidos debido a la

radiación solar y a la inexistencia de elementos bloqueadores de dicha radiación. Esta

mejora del confort será una consecuencia directa de la reducción de la demanda

energética necesaria para mantener las condiciones de confort en el interior de las zonas

climatizadas.

1.4 Limitaciones

El Código Técnico especifica unos límites para los valores de las transmitancias de los

cerramientos y un factor que representa la creación de condensaciones en nuestros

cerramientos según el uso del edificio que se debe estudiar.


12

1.4.1 Limitación de la demanda energética

Según el Código Técnico “los edificios dispondrán de una envolvente de características

tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el

bienestar térmico en función del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen

de verano y de invierno, así como por sus características de aislamiento e inercia,

permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar…”3.

El Código Técnico de Edificación, en su DB-HE recoge un método para el cálculo de la

demanda energética de edificios y para su posterior limitación según uso y zona

climática. En nuestro caso disponemos de un software para la simulación de la demanda

energética.

Al tratarse de un edificio industrial queda excluido de cualquier limitación. No obstante

tendremos en cuenta los valores de las transmitancias térmicas límite y factores solares

límites en huecos pertenecientes a nuestra zona climática para el apartado de mejoras

en la envolvente térmica de nuestro edificio.

Los valores de las transmitancias límites para cerramientos se encuentran en el

apéndice D.2.8 del DB-HE, incluidos en el Anexo 1.

El cálculo de las transmitancias térmicas se detallará en el apartado 4.1.1

1.4.2 Limitación debida a condensaciones

Como anteriormente hemos mencionado nuestra estructura de estudio es un edificio

industrial, y como en el caso anterior, también está excluido de limitaciones por

condensaciones. Aun así calcularemos dicho límite para un tipo de muro específico y

para un momento del año.

En primer lugar debemos conocer el fenómeno de la condensación y los problemas

estructurales y de confort que puede ocasionar si no se tiene debidamente en cuenta

en el aislamiento de todos los cerramientos.

La condensación del agua es el fenómeno natural por el cual si disminuye la temperatura

del aire, aún sin variar el contenido de vapor de agua en una masa de aire determinada,

hasta una temperatura conocida como temperatura de rocío, se produce el cambio de

3 Artículo 15.1 del DB-HE-1


13

fase de estado gaseoso(vapor de agua) a estado líquido. Este fenómeno depende, entre

otros factores de la presión y la temperatura.

La temperatura de rocío es la temperatura en la cual el vapor de agua contenido en una

masa de aire se encuentra saturado, es decir tiene un 100% de humedad relativa, siendo

la humedad relativa la proporción de vapor de agua necesaria para llegar al punto de

saturación.

La fórmula que relaciona la temperatura de rocío con la humedad relativa y la

temperatura es la siguiente:

𝑇𝑟𝑜𝑐𝑖𝑜 = √𝐻

100·

8

(110 + 𝑇) − 110 ( 1)

donde :

Tracio: temperatura de rocío (℃) H: humedad relativa (%) T: temperatura (℃)

Respecto a la presión, también puede aparecer la condensación debido al aumento de

la cantidad de vapor de agua de una masa determinada de aire, sin modificar

significativamente la temperatura del aire, generando un aumento de la presión y

produciéndose la condensación si alcanzamos la presión de vapor de saturación.

La presión de vapor de saturación es la presión de la fase gaseosa sobre la fase liquida

para una temperatura determinada, en la cual estamos en condiciones de equilibrio

dinámico, es decir, el proceso de condensación y evaporación ocurren al mismo tiempo.

En estas condiciones las fases se denominan líquido saturado y vapor saturado.

Para el cálculo y estudio de las propiedades termodinámicas de la mezcla vapor de agua-

aire, existen unos diagramas denominados diagramas psicométricos o cartas de

humedad. Son comúnmente usados los diagramas a 1 atmósfera para los estudios de

humidificación y procesos de acondicionamiento del aire. En la siguiente figura se

muestra un ejemplo de un diagrama psicométrico de vapor de agua-aire a 1 atm.


14

Figura 1. Diagrama psicométrico vapor agua – aire a 1 atm.

Como se puede observar en la anterior ilustración, el eje de las abscisas muestra la

temperatura del bulbo seco y el eje de las ordenadas representa la humedad absoluta.

Además están representadas las líneas correspondientes al volumen específico y a la

entalpía del aire húmedo.

Por ejemplo para unas condiciones de temperatura de 20℃ y un 50% de humedad

relativa (a 1atm) la temperatura de rocío es igual a 9,2℃, es decir, si la temperatura de

nuestra zona en esas condiciones o de la superficie en contacto con el aire desciende

hasta alcanzar dicha temperatura se producirá la condensación del vapor del agua que

se encuentra en el aire del ambiente.

Si extrapolamos este fenómeno a la construcción nos podemos encontrar con los

siguientes problemas:

Proliferación de organismos vegetales

Oxidación y corrosión de los elementos metálicos en contacto

Pudrición de los elementos estructurales de madera

Disminución de la capacidad aislante de los cerramientos

Efecto negativo sobre el confort de los usuarios


15

Debido a que la presión de saturación aumenta con la temperatura, la humedad relativa

disminuye de igual manera. Por lo tanto a medida que el aire este a mayor temperatura

será más difícil que se produzca la saturación del vapor de agua.

A la hora de la colocación del aislante en nuestros cerramientos, tenemos que tener en

cuenta que los materiales que se utilizan como aislantes tienen una baja resistencia al

paso del vapor de agua, por lo que en algunas ocasiones es necesario la utilización de

barreras de vapor en el lado caliente del aislamiento.

Debido a la problemática de las condensaciones, el Código técnico de Edificación recoge

unos límites para evitar las condensaciones en los cerramientos en el DB-HE-2,

“Comprobación de limitación de condensaciones superficiales e intersticiales en los

cerramientos”.

El CTE propone el siguiente método para la comprobación de la limitación de

condensaciones superficiales e intersticiales para cerramientos, pero no impide el uso

de otros métodos que permitan llevar a cabo dichos cálculos con la suficiente solvencia

técnica.

Condensaciones superficiales

La comprobación de las condensaciones superficiales se basa en la comparación del

factor de temperatura de la superficie interior fRsi y el factor de temperatura de la

superficie interior mínimo fRS,min para las condiciones interiores y exteriores

correspondientes al mes de enero de la localidad, que en nuestro caso corresponde con

la localidad de Sax, Alicante.

Para el muro cuya composición se describe en el apartado 4.1.3, el cual será empleado

en una de las soluciones alternativas, comprobaremos que el factor de temperatura de

la superficie interior es superior al factor de temperatura de la superficie interior

mínimo.

Para el cálculo del factor de temperatura de la superficie interior mínimo utilizaremos la

siguiente expresión:

𝑓𝑅𝑠𝑖,𝑚𝑖𝑛=

𝑇𝑠𝑖,𝑚𝑖𝑛−𝑇𝑒

20−𝑇𝑒

𝑓𝑅𝑠𝑖,𝑚𝑖𝑛=

14,09−7,620−7,6

=0,523

( 2)

donde:


16

fRsi,min: factor de temperatura de la superficie interior mínimo Tsi,min: temperatura superficial interior mínima obtenida mediante la ecuación 3

Te: temperatura exterior de la localidad en el mes de enero calculada a partir de la tabla C.1 incluida en el Anexo 2. Dicha temperatura deberá ser minorada 1℃ por cada 100msnm de diferencia con la capital de provincia [℃]

𝑇𝑠𝑖,𝑚𝑖𝑛 =273,3 · 𝑙𝑜𝑔𝑒(

𝑃𝑠𝑎𝑡

610,5)

17,269 − 𝑙𝑜𝑔𝑒(𝑃𝑠𝑎𝑡

610,5)

𝑇𝑠𝑖,𝑚𝑖𝑛 =273,3 · 𝑙𝑜𝑔𝑒(

1606,69610,5

)

17,269 − 𝑙𝑜𝑔𝑒(1606,69

610,5)

= 14,09 ℃

( 3)

donde:

Psat: presión de saturación máxima aceptable en la superficie obtenida mediante la ecuación 4 [Pa]

𝑃𝑠𝑎𝑡 =𝑃𝑖

0,8=

𝐻𝑟𝑖 · 2337

0,8

𝑃𝑠𝑎𝑡 =𝑃𝑖

0,8=

0,55 · 2337

0,8= 1606,69 𝑃𝑎

( 4)

donde: Pi: presión del vapor interior [Pa] Hri: humedad relativa interior definida [tanto por 1]

Respecto a las condiciones exteriores de la localidad de Sax, han sido calculadas a partir

de los datos climatológicos de la capital de provincia Valencia mediante la tabla C.1 del

apéndice C del DA-DB-HE-2 incluida en el Anexo 2.

La temperatura de la localidad se debe minorar 1℃ por cada 100msnm (metros sobre

el nivel del mar) con respecto a la capital de provincia. En nuestro caso, ya que Sax se

encuentra a 472msnm y Alicante a 0 msnm, deberemos minorar 4℃ la temperatura de

nuestra localidad.


17

A continuación fijaremos las condiciones interiores:

Temperatura interior= 20℃ para el mes de Enero (como indica el CTE)

Humedad relativa= 55% (Clase de higrometría 2, oficinas generales)

El cerramiento en el cual vamos a realizar la comprobación de las condensaciones es el

muro exterior el cual será utilizado en una de las mejoras. Su composición se especifica

en el apartado 4.1.3, cuya transmitancia térmica es igual a 0,44.

Para el cálculo del factor de temperatura de la superficie interior utilizaremos la

siguiente expresión:

𝑓𝑅𝑠𝑖 = 1 − 𝑈 · 0,25 ( 5)

donde:

fRsi: factor de temperatura de la superficie interior U: transmitancia térmica del cerramiento [W/m2K]

Por lo tanto se cumple,

𝑓𝑅𝑠𝑖 = 1 − 0,44 · 0,25 = 0,89;

0,89 > 0,523;

𝑓𝑅𝑠𝑖 > 𝑓𝑅𝑠𝑖,𝑚𝑖𝑛

Quedando comprobado que no se producirán condensaciones en la superficie interior

de nuestro cerramiento para nuestras condiciones.

Debido a la variación de las condiciones climatológicas e interiores este método no

resulta muy efectivo al comprobarlo solo para unas condiciones determinadas.

Mediante la simulación en Trnsys comprobaremos que no se produzca en ningún

momento del año ningún tipo de condensación superficial en nuestros cerramientos.

Condensaciones intersticiales

El procedimiento descrito en el Documente de Apoyo al Documento Básico de Ahorro

de Energía(DA DB HE-2) del CTE para la comprobación de las condensaciones

intersticiales se basa en la comparación entre la presión de vapor y la presión de vapor

de saturación en cada punto intermedio de un cerramiento formado por diferentes


18

capas para las misma condiciones interiores y exteriores que para el caso de las

condensaciones superficiales anteriormente comprobadas.

Para evitar la aparición de este tipo de condensaciones se comprueba que la presión de

vapor en la superficie de cada capa es inferior a la presión de vapor de saturación.

Para el cerramiento objeto calcularemos:

Distribución de temperaturas

Distribución de presiones de vapor de saturación para las temperaturas calculadas

Distribución de presiones de vapor

Distribución de temperaturas

Para el cálculo de la distribución de la temperatura en el interior necesitamos conocer

primeramente la temperatura superficial exterior e interior, y a partir de ellas

calcularemos la temperatura en cada capa del cerramiento.

En la siguiente ecuación podemos observar cómo se calcula la temperatura superficial

exterior.

𝑇𝑠𝑒 = 𝑇𝑒 +𝑅𝑠𝑒

𝑅𝑇· (𝑇𝑖 − 𝑇𝑒)

Por lo tanto:

𝑇𝑠𝑒 = 7,6 +0,04

10,44

· (20 − 7,6) = 7,82 ℃

( 6)

donde:

𝑇𝑠𝑒: temperatura superficial exterior [℃]. 𝑇𝑒: temperatura exterior [℃]. 𝑅𝑠𝑒: resistencia térmica superficial exterior en función de la posición del elemento

en el edificio según la figura 9 obtenida del CTE expresada en [m2K/W]. 𝑅𝑇: resistencia térmica total del elemento constructivo [m2K/W]. 𝑇𝑖: temperatura interior [℃].

El siguiente paso es calcular la temperatura de las capas de nuestro cerramiento. Para

ello utilizaremos la siguiente ecuación.


19

𝑇1 = 𝑇𝑠𝑒 +𝑅1


𝑇2 = 𝑇1 +𝑅2


𝑇𝑛 = 𝑇𝑛−1 +𝑅𝑛


Por lo tanto:

𝑇1 = 10,57 +0,11

1/0,44· (20 − 10,4) = 8,42℃

𝑇2 = 11,03 +0,019

1/0,44· (20 − 10,4) = 8,52℃

𝑇3 = 11,11 +1,935

1/0,44· (20 − 10,4) = 19,08℃

𝑇4 = 19,29 +0,026

1/0,44· (20 − 10,4) = 19,22℃

( 7)

donde:

Tse : temperatura superficial exterior [℃]. T1…Tn-1 : temperatura en cada capa [℃]. R1 …Rn : resistencia térmica en cada capa [m2K/W].

Para la temperatura superficial interior:

𝑇𝑠𝑖 = 𝑇𝑛 +𝑅𝑠𝑖


Por lo tanto:

𝑇𝑠𝑖 = 19,22 +0,13

1/0,44· (20 − 7,6) = 19,93℃

( 8)

donde: Tsi : temperatura superficial interior [℃]. Tn : temperatura en la capa n [℃]


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Rsi : resistencia térmica superficial correspondiente al aire interior en función de la posición del elemento en el edificio según la figura 9 obtenida del CTE expresada en [m2K/W].

RT : resistencia térmica total del componente constructivo [m2K/W].

Distribución de presiones de vapor de saturación

Para el cálculo de la presión de vapor de saturación en función de la temperatura

anteriormente calculada para cada capa de nuestro cerramiento utilizaremos la

siguiente ecuación.

𝑃𝑠𝑎𝑡 = 610,5 · 𝑒12,269·𝑇237,3+𝑇

𝑃𝑠𝑎𝑡1 = 610,5 · 𝑒12,269·8,42237,3+8,42 = 1103,14 𝑃𝑎

𝑃𝑠𝑎𝑡2 = 610,5 · 𝑒12,269·8,52237,3+8,52 = 1110,93 𝑃𝑎

𝑃𝑠𝑎𝑡3 = 610,5 · 𝑒12,269·19,08237,3+19,08 = 2207,06 𝑃𝑎

𝑃𝑠𝑎𝑡4 = 610,5 · 𝑒12,269·19,22237,3+19,22 = 2226,65 𝑃𝑎

( 9)

donde:

Psat : presión de vapor de saturación [Pa]. Psat1…Psat2 :presión de vapor de saturación en cada capa [Pa]. T : temperatura correspondiente [℃]. Distribución de presiones de vapor

Por último calcularemos la presión de vapor para cada capa para proceder a compararla

con la presión de vapor de saturación.

Para el cálculo de la presión en cada capa utilizaremos la siguiente ecuación:

𝑃1 = 𝑃𝑒 +𝑆𝑑1

∑ 𝑆𝑑𝑛· (𝑃𝑖 − 𝑃𝑒)

𝑃2 = 𝑃1 +𝑆𝑑2


(10)


21

𝑃𝑛 = 𝑃𝑛−1 +𝑆𝑑(𝑛)


Por lo tanto:

𝑃1 = 1029,28 +1,15

1,45· (1285,32 − 1926,54) = 1324,25 𝑃𝑎

𝑃2 = 1324,25 +0,15

1,45· (1285,32 − 1926,54) = 1304,94 𝑃𝑎

𝑃3 = 1304,94 +0,0024

1,45· (1285,32 − 1926,54) = 1304,63 𝑃𝑎

𝑃4 = 1304,63 +0,15

1,45· (1285,32 − 1926,54) = 1285,32 𝑃𝑎

donde:

Pi : presión de vapor del aire interior calculada mediante la siguiente expresión:

𝑃𝑖 = 𝐻𝑟,𝑖𝑛𝑡 · 𝑃𝑠𝑎𝑡(𝑇𝑖𝑛𝑡) (11)

donde: Pi: presión de vapor interior [Pa].

Hr,int : humedad relativa interior definida como condición interior[tanto por uno]. Psat(Tint) : presión de vapor de saturación correspondiente a la temperatura interior calculada mediante la ecuación 9.

Pe : presión de vapor del aire exterior [Pa], calculada del mismo modo que la presión de vapor del aire interior, pero respecto a la temperatura y humedad exterior correspondiente al mes de enero obtenida a partir del Anexo 2.

P1…Pn : presión de vapor en cada capa. Sd1…Sd(n) : espesor de aire equivalente de cada capa frente a la difusión del vapor de agua, obtenido mediante la siguiente ecuación.

𝑆𝑑𝑛 = 𝑒𝑛 · 𝜇𝑛 (12)

donde:

µn : factor de resistencia a la difusión del vapor de agua de cada capa, obtenidos de la base de datos de materiales del CTE.

en : espesor de la capa [m].

En la siguiente tabla agruparemos los resultados para analizar las diferencias.


22

Capa Presión de vapor [Pa]

Presión de vapor de saturación [Pa]

1 1418,83 1103,14

2 1352,61 1110,93

3 1351,55 2207,06

4 1285,32 2226,65 Tabla 1. Presiones de vapor para cada capa del cerramiento analizado

Mediante la anterior tabla observamos como en la capa número uno y dos, es decir, en

las capas más externas se producirían condensaciones, ya que la presión de vapor es

superior a la presión de vapor de saturación.

Por lo tanto debemos colocar una barrera de vapor entre dichas capas. Existe una gran

variedad de materiales que ofrecen una gran resistencia al paso de vapor de agua, como

por ejemplo el polietileno o el papel de aluminio.

1.5 Eficiencia energética

El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) establece que las

instalaciones deben diseñarse y calcularse de manera que se reduzca el consumo de

energía y por lo tanto las emisiones de CO2.

Existen una gran variedad de soluciones en materia de eficiencia energética, aunque no

son exigidas por el reglamento.

Las más importantes son:

Enfriamiento gratuito por aire exterior y ventilación nocturna

Para instalaciones con una potencia inferior a 70kW el reglamento no exige un

enfriamiento gratuito, pero si la unidad de impulsión y tratamiento del aire ya está

instalada, puede efectuarse el control del aire.

La ventilación del edificio durante periodos de tiempo nocturno donde las condiciones

son favorables puede suponer un ahorro importante en la refrigeración.

La ventilación nocturna será estudiada como medida para optimizar la demanda de

refrigeración.

Control de temperatura limitado

El sistema de control de la temperatura debe evitar que se superen temperaturas de

22°C en invierno y que desciendan de 24°C en verano. El RD 1826/2009 añadió un

apartado por el cual obligaba a mantener la temperatura de los edificios de alta

ocupación a 26°C en verano y a 21 en invierno.


23

El control de la temperatura en nuestro edificio ha sido fijado para que la temperatura

no supere los 20°C en invierno y para que no descienda de 25°C en verano.

Limitación en la energía consumida por las bombas

A la hora del dimensionamiento de las tubería para el circuito hidráulico para vencer

las pérdidas introducidas por accesorios, fancoils y la propia enfriadora, se aconseja

seleccionar el diámetro de las tuberías apropiadamente para limitar las pérdidas de

carga entre 20 y 40 mm c.a por metro de tubería.

Es recomendable emplear circuitos secundarios a caudal variable con fancoils regulables

mediante válvulas de dos vías y bombas con variador de frecuencia. Si se dispone de un

único circuito se deberá asegurar un caudal mínimo de circulación por la enfriadora y

hay que tener en cuenta que el consumo de la bomba será constante

independientemente de la carga.

Limitación en la energía consumida por los ventiladores

La correcta elección de los filtros en los equipos que dispongan de ellos puede suponer

una reducción de la energía eléctrica consumida a tener en cuenta. Las principales

recomendaciones son:

Instalación de filtros de mayor tamaño que el correspondiente al caudal de

ventilación, ya que la velocidad al atravesarlos será menor y por lo tanto la

pérdida de carga disminuirá.

Sustitución de filtros que produzcan una pérdida de carga entre 300-350 Pa.

Control de la ventilación mediante sondas de calidad del aire para evitar la

ventilación innecesaria.

Instalación de termostatos que detengan los ventiladores de los fancoils cuando

se alcance la temperatura de consigna en nuestro edificio.

1.6 Configuración del modelo en Trnsys

Trnsys es un software informático cuyo nombre es una abreviación de Transient System

Simulation Tool. Es una potente herramienta de cálculo y simulación de sistemas

transitorios integrado con un módulo que proporciona datos meteorológicos. Es

utilizado por ingenieros de todo el mundo siendo capaz de simular desde sistemas para

calentar agua para instalaciones domésticas, incluyendo estrategias de control,

introducción de elementos mecánicos como bombas, depósitos,

intercambiadores…etc., hasta sistemas basados en las energías renovables, solar, eólica,

fotovoltaica…


24

Trnsys está compuesto por dos partes. La primera es un motor que lee y procesa los

datos de entrada, siendo capaz de resolver sistemas mediante métodos iterativos,

representar variables mediante gráficas, posee utilidades para el cálculo de propiedades

termo físicas como flujos de calor, además de operaciones matemáticas tales como

derivadas, integrales y uso de matrices.

La segunda parte del Trnsys es una amplia librería de componentes, aproximadamente

unos 150, incluyendo desde bombas, turbinas, intercambiadores, controladores

automáticos como son los PID. También tenemos la oportunidad de introducir las

características de nuestros propios componentes. La principal herramienta que hemos

utilizado para la realización de este proyecto es la llamada Trnbuild, la cual permite

definir unas zonas y elementos constructivos y la conexión entre las zonas.

La tercera parte del Trnsys nos permite conectarnos fácilmente a otros programas de

cálculo para aplicaciones de post-proceso de datos o para tomar datos externos

procedentes de programas como son Microsoft Excel, Matlab…

En este apartado explicaremos brevemente la configuración en el entorno de Trnsys y

los principales elementos y herramientas que hemos utilizado para la simulación de

nuestro edificio.

1.6.1 Trnsys Simulation Studio

Simulation Studio es un completo paquete que integra una herramienta para la

simulación de modelos dinámicos, la conexión entre elementos y componentes,

ecuaciones y la posibilidad de graficar los resultados de manera sencilla.

Los elementos que vamos a emplear son los siguientes:

Building project

Mediante esta herramienta definiremos nuestro edificio y todos los elementos

constructivos, controles de calefacción y refrigeración, ventilación, horarios y

especificaciones que lo conforman.

Weather Data

Para el funcionamiento de Trnsbuild necesitamos la introducción de las variables

meteorológicas pertenecientes a la región en la que nos encontremos. Entre las

variables requeridas para el cálculo están la temperatura ambiente, humedad relativa,

velocidad y dirección del viento, los ángulos zenit y azimut solares, la radiación directa

y difusa y el Angulo de incidencia para cada orientación. Estas variables serán

proporcionadas por ésta herramienta en la cual tendremos que seleccionar la localidad


25

en la que se realizara la simulación, en caso que no esté incluida, como ha sido nuestro

caso deberemos añadir el archivo meteorológico a la librería.

Controlador diferencial (Solver 0)

Esta herramienta la utilizaremos para el control de elementos de sombreamiento, como

cortinas interiores y para elementos que controlaran la ventilación.

Este controlador genera una función de control que puede tener un valor de 0 o 1. La

función compara la diferencia entre dos temperaturas con dos valores que

representarán la temperatura máxima y la temperatura mínima respectivamente. La

representación matemática del controlador es la siguiente:

Si previamente estaba activado (γ1=1):

𝑓(γ0) = {1, ∆𝑇𝐿 ≤ (𝑇𝐻 − 𝑇𝐿)

0, ∆𝑇𝐿 > (𝑇𝐻 − 𝑇𝐿) ( 13)

Si previamente estaba desactivado (γ1=0):

𝑓(γ0) = {1, ∆𝑇𝐻 ≤ (𝑇𝐻 − 𝑇𝐿)

0, ∆𝑇𝐻 > (𝑇𝐻 − 𝑇𝐿) ( 14)

donde:

γ0 : valor de salida de la función del controlador γ1 : valor de entrada al controlador ∆𝑇𝐿: temperatura del límite inferior ∆𝑇𝐻: temperatura del límite superior TH : temperatura superior de entrada TL : temperatura inferior de entrada

La representación gráfica del controlador es la siguiente:

Figura 2. Representación gráfica del control diferencial de temperatura


26

Una vez explicado el funcionamiento del controlador mostraremos los valores que

hemos tomado para la definición de la ventilación cuando estamos en modo calefacción

y refrigeración.

Para el control de la ventilación hemos configurado dos controles.

El primer control simula la apertura de ventanas para permitir la entrada

de aire exterior cuando en invierno se eleva la temperatura interior por

encima de las condiciones de confort (25℃) y en verano se activa cuando

la temperatura desciende por debajo del límite de confort (20℃). Dicho

control se realizará para todas las zonas que disponen de ventanas en

contacto con el exterior. No supone ningún coste energético ya que la

entrada de aire exterior se realizará mediante las ventanas.

Si se cumplen las condiciones de temperatura anteriormente descritas,

se introducirá un caudal de aire equivalente a 10 renovaciones/hora.

El segundo control consiste en la comprobación de la temperatura

exterior con la interior de la zona en cuestión. El funcionamiento de dicha

ventilación se activa cuando la temperatura exterior es 3℃ superior a la

interior en el caso de los meses fríos y viceversa para los meses cálidos.

Dicho control puede ser producido por la propia apertura de ventanas

como en el caso anterior o por la instalación de un ventilador. En este

último caso tendríamos que tener en cuenta el coste eléctrico de dicho

ventilador.

Equation

Equation es el elemento el cual hemos empleado para la introducción de cálculos

matemáticos. Los cálculos que hemos tenido que introducir mediante este elemento

han sido utilizados principalmente para el control de la calefacción y refrigeración en los

momentos donde hay presencia de personal en nuestro edificio y para el cálculo del

factor de sombra de las lamas horizontales y verticales según la posición del Sol, el cual

está detallado en el apartado 1.9.2.

Overhang and Wingwall shading

Trnsys dispone de dicha herramienta para la definición de las dimensiones de voladizos

y retranqueos. En ella podemos configurar la distancia respecto al voladizo y la superficie

de la ventana en la cual proyectará la sombra.


27

2 Modelo estudiado

2.1 Localización

La industria analizada es Plastisax, situada en el Polígono Industrial El Castillo C/París

Parcela W Apdo.81 03630 Sax, Alicante.

Sax es un municipio de la provincia de Alicante el cual se encuentra a 472 msnm(metros

sobre el nivel del mar). Sax dispone de un clima cálido con medias térmicas que oscilan

entre los 7°C en enero y los 24° en julio. Respecto a las temperaturas máximas medias

tenemos 12,2°C en enero y 30,5°C en julio4.

Debido a la semejanza de los datos climatológicos respecto la localidad de Sax y su

capital Alicante, y al hecho de la existencia de una completa base de datos climatológicos

para las capitales de provincia; los datos han sido introducidos desde la base de datos

Energy+, los cuales para el caso de España han sido realizados por el “Grupo de

Termotecnia” de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla para el Gobierno español.

Dichos datos han sido generados mediante datos mensuales tomados desde distintas

estaciones meteorológicas españolas.

Las temperaturas medias y humedades relativas mensuales se encuentran en el Anexo

2, obtenidas del Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE).

Figura 3. Fachadas exteriores del edificio de estudio

En la anterior figura podemos observar la fachada exterior sur, sur-oeste y sur-este, las

cuales suponen la entrada excesiva de radiación solar provocando la falta de confort en

las superficies cercanas de dichos cerramientos.

4 Parámetros climatológicos obtenidos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente para el periodo entre 1981-2010.


28

2.2 Elementos constructivos

En este apartado definiremos la composición de los principales elementos constructivos

como son los muros exteriores, los tabiques que separan las zonas interiores y los

huecos formados por ventanas.

Debido a que estamos analizando una nave industrial, tenemos dos zonas con distintos

usos. Por lo tanto tenemos dos tipos de cerramientos interiores, uno en contacto con la

zona de producción y el otro entre las zonas del interior de las oficinas.

La zona encargada de la producción no está climatizada. Gracias a una visita realizada a

la industria hemos podido estimar una temperatura en la zona de producción

equivalente a 25℃.

A continuación especificaremos la composición de todos los tipos de muros que forman

nuestro edificio. En todas las tablas el primer material corresponde a la zona exterior.

Cerramientos exteriores pertenecientes a la zona de producción

U= 3,43 W/m2K Espesor= 12 cm Peso= 430 kg/m2

Cerramiento entre la zona de producción y las oficinas

U= 0,44 W/m2K Espesor= 20,5 cm Peso= 292 kg/m2

N° Material Espesor(m) Resistencia térmica

(m2K/W)

Peso (kg/m2)

1 Hormigón en masa 2000<d<2300 0,120 0,121 430

Tabla 2. Composición del muro exterior perteneciente a la zona de producción


(m2K/W)

Peso (kg/m2)

1 ½ pie LM métrico 40mm 0,115 0,110 249,6

2 Mortero cemento 0,015 0,019 22,9

4 MW Lana mineral 0,060 1,935 2,4


29

Cerramientos interiores

U= 2,63 W/m2K

Espesor= 7 cm

Peso= 65 kg/m2

Cerramientos semi-transparentes en contacto con el exterior

Suelo en contacto con una partición

U= 2,76 W/m2K

Espesor= 23,5cm

Peso= 325 kg/m2

5 Enlucido yeso 1000<d<1300 0,015 0,026 17,2

Tabla 3. Composición del muro comprendido entre la zona de producción y las oficinas

N° Material Espesor(m) Resistencia

térmica (m2K/W)

Peso (kg/m2)

1 Placa de yeso o escayola

750<d<900 0,015 0,06 0,015

2 Tabique de LH sencillo 0,040 0,09 0,04

3 Placa de yeso o escayola

750<d<900 0,015 0,06 0,015

Tabla 4. Composición del muro interior perteneciente a las oficinas

N° Tipo de vidrio Espesor(mm) Tipo de marco Color del vidrio

1 Vidrio simple 6 Metálico Oscuro

Tabla 5. Composición del cerramiento acristalado situado en el muro de fachada

N° Material Espesor

(m)

Resistencia térmica

(m2K/W)

Peso (kg/m2)

1 Plaqueta o baldosa de gres 0,02 0,009 249,6


30

2.3 Zonificación

La industria dispone de dos plantas, los principales usos de cada una son:

Planta baja: laboratorios.

Primera planta: oficinas.

Segunda planta: almacén de materiales.

La planta objeto del estudio es la primera planta, que está climatizada. Aunque el resto

de plantas no estén climatizadas se tendrán en cuenta en la simulación. Tanto la planta

baja como la segunda se han considerado zonas a una temperatura constante de 20℃ a

lo largo de todo el año debido a las condiciones actuales que se dan ellas.

En la siguiente figura podemos observar la distribución en planta de las zonas

estudiadas.

2 Losa de hormigón-sin capa

de compresión 0,200 0,127 22,9

3 Enlucido de yeso

1000<d<1300 0,015 0,026 430

Tabla 6. Composición del forjado en contacto con otra planta


31

Figura 4. Distribución en planta del conjunto de zonas analizadas

Las zonas que forman nuestra planta de estudio tienen las siguientes características.

Zona Superficie (m2) Orientación

Despacho1 21,58 Sur-Oeste



Oficina 47,35 Sur-Este

Entrada 53,04 Sur

Distribuidor 13,12 Interior

Sala de reunión 34,16 Interior

Archivo 12,25 Interior


32

Aseos 5 Interior Tabla 7. Características de las zonas a estudiar

Las zonas correspondientes al archivo, los aseos, y la entrada no están climatizadas, pero

se han tenido en cuenta para la simulación como zonas adyacentes y en el caso de la

entrada, la cual dispone de un cerramiento acristalado simple con orientación al Sur

para la reducción de la radiación solar al interior de nuestro edificio.

Para tener un conocimiento más claro de la situación actual del edificio necesitamos

conocer las superficies acristaladas en contacto con el exterior las cuales producen la

mayor entrada de calor procedente de la radiación solar. En todas ellas existe un sistema

de sombreamiento interior, el cual supone una problemática para el confort del usuario

que se encuentra próximo.

Zona Superficie acristalada

[m2] Orientación


8,7 Sur



Oficina 22,5 Sur-Este

9 Sur

Entrada 10,2 Sur Tabla 8. Ubicación y superficie de los huecos con cerramientos acristalados

Todos los cerramientos acristalados poseen una altura de 3m y hemos incluidos la

superficie ocupada por los marcos en la acristalada.

Todos los vidrios están formados por los mismos vidrios y marcos los cuales han sido

detallados en el apartado anterior.

A continuación detallamos el horario laboral que hemos utilizado para la simulación de

entrada de personal. El horario de uso corresponde al horario laboral, el cual es el mismo

en todas las zonas.

De Lunes a Viernes: de 8:00h – 20:00h


33

Debido al horario laboral los fines de semana las zonas no estarán climatizadas.

2.4 Condiciones interiores de diseño

Según el apartado 02.2 del Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE), las

condiciones internas de diseño son:

Estación Temperatura [℃]

Velocidad del aire [m/s]

Humedad relativa [%]

Verano 23 a 26 <0,18 40-60

Invierno 20 a 24 <0,15 40-60 Tabla 9. Condiciones interiores de diseño

Para los límites de calefacción hemos seleccionado 20℃ y para refrigeración 25℃.

2.5 Ganancias internas

Cualquier elemento o máquina que modifique la temperatura seca y humedad relativa

interior se considerará una carga térmica la cual deberemos incluirla en la configuración

de las zonas.

Existen cargas sensibles, si solo modifican la temperatura seca del interior, como ocurre

con la iluminación y equipos de ofimática como ordenadores; y también existen cargas

latentes las cuales modifican la humedad relativa interior, como es el caso de la carga

debida al personal.

Según la norma ISO 7730, para una actividad propia de una oficina (sentado y

escribiendo), el cuerpo humano introduce una carga térmica sensible de 60 W y 40 W

de carga latente.

Las cargas térmicas interiores propias de cada zona se tendrán en cuenta debido a que

introducen una carga térmica la cual tendrá que ser vencida por el equipo de

refrigeración.

Zona

Carga sensible Carga latente Total

(W) Iluminación

(W)

Ocupación

(W)

Equipos

(W)

Ocupación

(W)

Despacho1 310 120 230 80 740

Despacho2 156 120 230 80 586

Despacho3 310 120 230 80 740

Oficina 520 240 920 160 1840


34

Distribuidor 310 60 - - 370

Sala de reunión 468 240 - - 708

Archivo 104 60 - - 164

Aseos 52 60 - - 112 Tabla 10. Ganancias internas según cada zona

La iluminación en todas las zonas se realiza mediante tubos fluorescentes de 26 W de

potencia cada uno.

El valor de la carga térmica debida a equipos ha sido obtenida de la base de datos del

Trnsys, la cual equivale a 230W para ordenadores.

2.6 Equipos preexistentes

Actualmente el edificio esta climatizado mediante un sistema de aire-agua, donde una

enfriadora elimina la carga térmica de las zonas. Dicha enfriadora alimenta unos fan coils

situados en el falso techo los cuales distribuyen el aire hasta todos los elementos de

distribución del aire que dispone nuestro edificio.

El siguiente esquema muestra una simplificación del sistema que actualmente está en

funcionamiento en nuestro edificio de estudio. El aire de retorno se extrae mediante

rejillas colocadas en la parte inferior de las paredes.

Figura 5. Sistema de climatización mixto con ventilación incluida

La enfriadora aire-agua dispone de un compresor tipo Scroll y compuesta por dos

ventiladores axiales de bajas revoluciones. El condensador está constituido mediante

batería de cobre con aletas de aluminio y el evaporador mediante placas en acero

inoxidable. Posee un microprocesador que regula la temperatura del agua. La potencia


35

frigorífica y calorífica respectivamente es iguales a 23,8 kW y 29,4kW. El fluido

refrigerante utilizado es el R410a con una carga total de 6,1 Kg. Todas estas

características se encuentran en el catálogo facilitado en el Anexo 3.

El sistema de distribución se realiza mediante una red de conductos de aire aislados con

lana de vidrio en su parte exterior que permiten la llegada del aire procedente de los

fan-coils hasta los elementos de distribución. Los elementos de distribución que están

instalados actualmente son de tipo rotacional los cuales facilitan la distribución

homogénea del aire en el interior de las zonas.


36

3 Condiciones meteorológicas y energéticas

3.1 Condiciones exteriores

Este apartado tratará sobre el conocimiento de las condiciones climatológicas externas

que utilizaremos para la simulación de nuestro edificio. Los datos climatológicos han

sido introducidos al software Trnsys desde de la base de datos Energy+ tomando las

condiciones referentes a Alicante.

Los principales parámetros que analizaremos serán la temperatura del aire exterior, la

humedad relativa, el viento y la radiación solar.

Para tener un conocimiento más amplio sobre cómo afecta la radiación solar en los

edificios y que tipos de radiación existen explicaremos a continuación los fundamentos

principales de la radiación solar.

Radiación Solar

Al conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol se le conoce como

radiación solar. Dicha radiación solar se distribuye desde el espectro infrarrojo

(longitudes de ondas largas) hasta el ultravioleta (longitudes de onda cortas).

La radiación ultravioleta es absorbida por los gases que componen la atmósfera,

principalmente por la capa de ozono. Este efecto provoca que no toda la radiación

emitida por el Sol sea recibida por la Tierra. La magnitud que mide la radiación solar que

llega a la Tierra es la irradiancia, que corresponde con la potencia por unidad de

superficie, expresada en W/m2.

La irradiancia que recibimos antes de penetrar la atmosfera corresponde a 1367 W/m2,

conocida también, como constante solar.

Según la incidencia de la irradiación solar existen dos tipos:

Irradiación Solar Directa: como su nombre indica, aquella que recibimos

directamente del Sol.

Irradiación Solar Difusa: aquella que recibimos desde todas las direcciones

provocada por la dispersión de la radiación del sol en la misma. En un día

nublado, por ejemplo solo recibimos radiación difusa.

Irradiación Total o Global: es la suma total de la radiación directa y la difusa que

recibimos.


37

Una vez comentado los aspectos más importantes de los parámetros que vamos a

analizar en el presente apartado, pasaremos a la elección del periodo de tiempo en el

cual analizaremos las condiciones climatológicas.

Analizaremos la evolución de los parámetros principales para dos periodos de tiempo.

Para los meses de invierno, desde el 6 al 14 de enero.

Para los meses de verano, desde el 14 al 21 de julio.

Estos periodos de tiempo han sido seleccionados debido a las buenas condiciones de

climatológicas, en lo que respecta a un día despejado durante una semana.

Mediante el conocimiento de las condiciones exteriores podemos conocer los límites, la

variación y la evolución a lo largo de un día durante una semana.

En las siguientes ilustraciones observaremos la evolución de los principales datos

climatológicos para la segunda semana de enero y para la tercera semana de julio.

3.1.1 Temperatura y humedad relativa

La temperatura y la humedad relativa del ambiente exterior son dos de los más

importantes parámetros meteorológicos analizados para la simulación térmica de

edificios.

Como hemos citado anteriormente, analizaremos los parámetros para dos periodos de

tiempo diferentes:

Temperatura exterior para la segunda semana de enero


38

Gráfico 1.Temperatura y humedad relativa exterior en la segunda semana de Enero

Como podemos observar en el anterior gráfico la variación de temperatura diaria para

el mes de Enero, cuando estamos utilizando la calefacción es aproximadamente de 10℃,

con temperaturas mínimas de 8℃ y máximas de 22℃. Teniendo en cuenta que la

temperatura de consigna para calefacción es de 20° podemos anticipar que existirán

momentos donde no necesitemos el uso de la calefacción.

Respecto a la humedad relativa se aprecia como las temperaturas bajas corresponden a

los mayores valores de humedad relativa. Para la semana de enero analizada tenemos

una oscilación de la humedad relativa de un 40% alcanzando valores máximos

equivalentes al 80% de humedad relativa en el exterior.

Temperatura y humedad relativa exterior para la tercera semana de julio

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

168 188 208 228 248 268 288 308 328

Hu

med

ad [

%]

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [h]

Condiciones exteriores6/01-12/01

Temperatura exterior

Humedad relativa


39

Gráfico 2. Temperatura y humedad relativa exterior en la tercera semana de julio

Debido a que nos encontramos en un ambiente cálido, las temperaturas para los meses

cálidos son muy elevadas respecto a otras zonas de la península. Como se observa en el

gráfico anterior en el mes de julio se produce una variación aproximada de 15℃ en

algunos días, con una máxima de 36℃ y mínima de 19℃, por lo tanto está variación de

temperatura diaria podría resultar útil para la refrigeración aprovechando las

condiciones nocturnas. Este estudio se realizara en el apartado de soluciones

alternativas.

3.1.2 Radiación solar

En las siguientes gráficas podremos observar la proporción de radiación global que

recibimos una vez la radiación atraviesa la atmósfera comparada con la que se recibe

antes de penetrar la atmósfera.

Radiación solar para la segunda semana de enero

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

5

10

15

20

25

30

35

40

4728 4748 4768 4788 4808 4828 4848 4868 4888

Hu

med

ad [

%]

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [h]

Condiciones exteriores14/07-20/07


Humedad relativa


40

Gráfico 3. Radiación solar total en la segunda semana de Enero

En los meses de invierno se puede observar que recibimos una radiación global total

máxima de 450 W/m2. Debido al paso de la radiación por la atmósfera recibimos un

30,7% menos de radiación.

Radiación solar en la tercera semana de julio

0

100

200

300

400

500

600

700

800

168 188 208 228 248 268 288 308 328

Rad

iaci

ón

[W

/m^2

]

Hora anual [h]

Radiación exterior 6/01-12/01

Extraterrestre

Total


41

Gráfico 4. Radiación solar total en la tercera semana de Julio

Para el mes de julio en cambio la radiación global máxima recibida asciende a 900 W/m2,

la cual corresponde al doble de radiación que recibimos para el mes de enero.

Las perturbaciones bruscas que se producen en la radiación son debidas a la aparición

de nubes.

3.2 Condiciones interiores

En los siguientes gráficos mostraremos la diferencia entre las condiciones exteriores y

las condiciones que se dan en el interior de nuestra zona de estudio. Para ello elegiremos

el mismo intervalo de tiempo para realizar la comparativa y seleccionaremos la zona

más crítica. Dicha zona corresponde a la “Oficina”. Esta zona tiene una orientación Sur-

Este la cual tiene un cerramiento totalmente acristalado.

Como ya se ha comentado en apartados anteriores las condiciones de confort que

hemos fijado son 20 ℃ para calefacción y 25 ℃ para refrigeración. La temperatura de

todas nuestras zonas estará entre esos dos valores en el horario laboral el cual comienza

a las 8:00h y finaliza a las 20:00h. Los fines de semana no realizaremos el control de las

condiciones internas.

10

210

410

610

810

1010

1210

1410

4728 4748 4768 4788 4808 4828 4848 4868 4888

Rad

iaci

ón

[W

/m^2

]

Hora anual [h]

Radiación exterior14/07 -20/07

Extraterrestre Total


42

3.2.1 Temperatura

Gráfico 5. Comparativa temperatura interior de la oficina con las condiciones exteriores en Enero.

En el anterior grafico observamos que se aseguran las condiciones de confort para el

horario de uso del edificio, por lo tanto los dos últimos días corresponden al fin de

semana. Cuando la temperatura exterior alcanza el máximo, debido a las ganancias

internas y a la entrada de radiación solar, tenemos un periodo de tiempo donde no

hacemos uso de la calefacción. Además podemos observar una variación en la

temperatura interior la cual corresponde a la apertura de ventanas que el usuario

realizaría cuando en el exterior las condiciones son favorables para mantenerse en la

zona de confort definida anteriormente entre los 20°C y los 25°C.

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

168 188 208 228 248 268 288 308 328

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [h]

Temperatura oficina6/01-12/01


Temperatura oficina


43

Gráfico 6. Comparativa de la temperatura en la oficina con las condiciones exteriores en Julio.

Para la comparativa en verano en cambio, cuando en el exterior se generan las

temperaturas mínimas, en el interior de nuestras zonas no aprovechamos la baja

temperatura debida al horario de uso del edificio. El aprovechamiento de esta

temperatura será estudiada en el apartado 10.4 para las soluciones alternativas según

sistemas de ventilación. También se aprecia como la necesidad de refrigeración es alta

y durante todo el horario de uso. Por lo tanto la primera conclusión respecto a la

demanda energética es que la demanda por refrigeración será mayor que la de

calefacción.

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

4728 4748 4768 4788 4808 4828 4848 4868 4888

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [h]

Temperatura oficina14/07-20/07


Temperatura oficina


44

3.2.2 Humedad relativa

Gráfico 7. Comparativa de la humedad relativa de la oficina con las condiciones exteriores en la segunda semana de enero.

Como podemos apreciar en el anterior gráfico, para la simulación del modelo de nuestro

edificio, no hemos incluido un control de la humedad en los sistemas de calefacción y

refrigeración. Por lo tanto si queremos mantener las condiciones de humedad entre el

50-60% como hemos definido anteriormente será necesario realizar un control de la

humedad producida en el interior de nuestra zona, ya que en los momentos en los cuales

existe personal la humedad relativa interior desciende por debajo del 50%. Dicha

regulación de la humedad puede realizarse mediante la introducción de aire húmedo

exterior ya que su humedad relativa es superior a la del interior.

6

16

26

36

46

56

66

76

86

96

168 188 208 228 248 268 288 308 328

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [h]

Humedad relativa oficina6/01-12/01

Humedad exterior

Humedad oficina


45

Gráfico 8. Comparativa de la humedad relativa de la oficina para la tercera semana de julio.

Al contrario que en los meses de invierno, observamos como el principal problema ahora

es el exceso de humedad relativa en el interior de nuestro edificio. Pero en este caso no

podemos aprovechar las condiciones del aire exterior, ya que necesitamos reducir la

humedad relativa y el aire exterior posee mayor cantidad de vapor de agua. En el

presente proyecto no vamos a tratar la producción de humedad interior, pero para

futuros proyectos, si se desea disminuir la humedad relativa interior se deben emplear

deshumidificadores.

3.2.3 Radiación solar sobre los cerramientos exteriores

Para el apartado de la radiación nos centraremos en la incidente sobre los cerramientos

de vidrio exteriores. En este caso tenemos cuatro zonas en las cuales disponemos de

cerramientos acristalados. Estas zonas son:

Oficina: Sur-Este y Sur

Despacho1: Sur-Oeste y Sur

Despacho2: Sur-Oeste

Despacho3: Sur-Oeste

Como en los apartados anteriores, estudiaremos la radiación global para la segunda

semana de enero y la tercera de julio para cada cerramiento respectivamente.

15

25

35

45

55

65

75

85

95

4728 4748 4768 4788 4808 4828 4848 4868 4888

Hu

med

ad r

elat

iva

[%]

Tiempo [h]

Humedad relativa oficina14/07-20/07

Humedad exterior

Humedad oficina


46

Gráfico 9. Radiación global total incidente por los cerramientos exteriores durante la segunda semana de enero y la tercera semana de julio.

A partir del anterior gráfico observamos diferentes fenómenos. Uno de ellos es la

influencia del ángulo de incidencia de la radiación solar con el calor que genera, ya que

podemos observar como para la semana de enero la orientación sur es la que mayor

radiación global recibe de todas las orientaciones debido a que en el mes de invierno el

ángulo de incidencia del Sol con los cerramientos es menor. El segundo fenómeno que

podemos observar es como la radiación global que recibimos en los cerramientos con

orientación sur y sur-oeste para los meses de verano es prácticamente la misma y en

cambio para los meses de invierno la orientación sur es la que mayor radiación absorbe.

Éste fenómeno es debido a la trayectoria que el Sol describe durante todo el año.

3.2.4 Sensibilidad del caudal de ventilación en la simulación

A la hora de realizar la simulación de un edificio existen parámetros difíciles de estimar.

Uno de ellos es el caudal de aire equivalente a la apertura de ventanas cuando las

condiciones exteriores son favorables para la situación puntual del momento. Por lo

tanto estudiaremos la sensibilidad de fijar un valor u otro.

El caudal de aire en la ventilación se expresa en renovaciones/hora. Dicha unidad

expresa el caudal para que todo el aire que se encuentra en un volumen determinado

sea renovado totalmente.

Mediante la simulación anual de nuestro edificio hemos comprobado como para los

meses de marzo y abril principalmente, meses en los cuales empleamos la refrigeración,

las condiciones exteriores son favorables para determinados momentos del día. Para los

meses donde empleamos la calefacción el aire exterior será utilizado como método para

refrigerar zonas en las cuales se superen los 25℃.

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

OficinaSE OficinaS Despacho1S Despacho1SW Despacho2SW Despacho3SW

Rad

iaci

ón

to

tal [

Kw

h/m

^2 s

eman

a ]

Radiación global sobrecerramientos

6/01-14/01 14/07-20/07


47

Por lo tanto el estudio de la sensibilidad del valor para el caudal de ventilación sólo

afectará a la demanda de refrigeración.

En la siguiente tabla se muestran los resultados numéricos:

Caudal [ren/h]

Refrigeración [kWh/m2 año]

0 62,19

10 55,89

20 54,14

30 53,95 Tabla 11. Sensibilidad del caudal de ventilación en la demanda de refrigeración

Gráfico 10. Variación de la demanda de refrigeración en función del caudal de ventilación

Como se puede observar en la anterior gráfica cuando alcanzamos un caudal de 20

renovaciones/hora la demanda de refrigeración se mantiene prácticamente constante

aunque aumentemos ese caudal, ya que existe un momento donde las condiciones de

temperatura exterior e interior se equilibran, y por lo tanto la entrada de un mayor

caudal de aire no supone ninguna variación en la transmisión de calor con el interior.

Para la simulación de nuestro edificio utilizaremos un caudal de 10 ren/h. Dicho caudal

ha sido elegido ya que podría ser producido por la apertura de ventanas, sin la necesidad

de un sistema de ventilación.

51,00

54,00

57,00

60,00

63,00

0 5 10 15 20 25 30 35

kWh

/m^2

añ

o

Caudal [renovaciones/hora]

Demanda refrigeraciónsegun caudal de ventilación


48

3.2.5 Demanda energética

En el presente apartado abordaremos el objetivo principal del presente proyecto, es

decir, la optimización de la demanda energética inicial de nuestro edificio. Para ello

simularemos mediante Trnsys todas las zonas descritas en el apartado 1.4.3 con todas

las ganancias y controles de ventilación y elementos de sombra que inicialmente están

presentes en nuestro edificio de estudio.

Los siguientes gráficos muestran la demanda mensual de refrigeración y calefacción

para cada zona y el ratio (kWh/m2 año) utilizado normalmente para la comparación de

la demanda energética en edificios.

En la siguiente tabla mostraremos las demandas de refrigeración y calefacción total para

cada mes.

Mes Refrigeración [kWh/m2 año]

Calefacción [kWh/m2 año]

Total [kWh/m2 año]

Enero 0,00 4,50 4,50

Febrero 0,00 2,85 2,85

Marzo 0,00 1,79 1,79

Abril 0,62 0,00 0,62

Mayo 2,73 0,00 2,73

Junio 6,80 0,00 6,80

Julio 13,52 0,00 13,52

Agosto 16,37 0,00 16,37

Septiembre 10,30 0,00 10,30

Octubre 5,54 0,00 5,54

Noviembre 0,00 1,24 1,24

Diciembre 0,00 3,47 3,47

Total 55,89 13,85 69,74 Tabla 12. Demanda de calefacción y refrigeración total mensual inicial

.

Si observamos los resultados podemos llegar a la conclusión que la demanda de

refrigeración es superior a la de calefacción como era de esperar al tratarse de un clima

cálido. También podemos observar que Agosto es el mes con la mayor necesidad

energética y Abril por el contrario el mes donde la demanda energética es mínima.

La demanda de refrigeración supone un 81% de la demanda total de nuestro edificio.

Por lo tanto nos centrarnos principalmente en la reducción de la refrigeración.

Si representamos los valores totales de demanda para cada mes del año observamos lo

siguiente:


49

Gráfico 11. Demandas de refrigeración y calefacción mensuales totales para cada mes del año.

Como se aprecia en los datos en los meses de marzo y abril la demanda de refrigeración

y calefacción respectivamente son prácticamente nulas. La elección de los meses en los

cuales tenemos que hacer uso de la refrigeración y calefacción respectivamente, se ha

realizado comparando las demandas máximas en ambos casos y verificando que la

configuración se asemeja al uso real determinado actualmente en dicho edificio, es

decir, en la actualidad en el mes de Abril la propia producción de calor interno debido a

las ganancias térmicas y la entrada de radiación solar proveniente de las zonas que están

en contacto con el exterior, permiten que las condiciones interiores sean aceptables

para mantener las condiciones de confort.

También es importante conocer la demanda para cada zona y así fijar la zona donde se

deberían tomar las medidas energéticas más exigentes.

Zona Refrigeración [kWh/m2 año]


Total [kWh/m2 año]

Sala reunión 1,63 0,01 1,64

Despacho1 13,77 2,69 16,46

Despacho2 6,93 3,15 10,08

Despacho3 8,70 2,86 11,56

Oficina 23,71 2,95 26,66

Distribuidor 1,15 2,19 3,35

Total 55,89 13,85 69,74 Tabla 13. Demandas de refrigeración y calefacción para cada zona climatizada

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18kW

h/m

^2 a

ño

Demanda mensual

Calefacción

Refrigeración


50

Si nos fijamos en los resultados de la tabla anterior podemos observar como para las

zonas interiores, la sala de reunión, no es necesaria la calefacción ni la refrigeración la

mayor parte del año, debido a que se encuentra en una zona interior la cual está en

contacto con la zona de producción que se encuentra a una temperatura de 25℃ la cual

se aprovechará en los meses donde hagamos uso de la calefacción mediante la apertura

de dos ventanas interiores de las que dispone la zona.

Según los resultados obtenidos podemos afirmar que la zona la cual posee una mayor

demanda de refrigeración corresponde a la zona correspondiente a la “Oficina”. La

demanda de refrigeración de esta zona supone el 42,4% de la demanda de refrigeración

total.

Respecto a la demanda de calefacción, no hay diferencias notables entre las zonas

climatizadas, destacando ligeramente la zona correspondiente al “despacho 2”.


51

4 Soluciones para la optimización de la demanda

4.1 Planteamiento y simulación de las mismas

En este apartado abordaremos las distintas soluciones constructivas y de control que

podríamos adoptar para la optimización de la demanda energética.

Las modificaciones que vamos a introducir son las siguientes:

Sustitución del vidrio en cerramientos externos.

Aplicación de sistemas de sombreamiento.

Reducción de las superficies acristaladas.

Sistemas de ventilación.

Para todas las simulaciones tomaremos un caudal de aire de ventilación de 10

renovaciones/hora correspondiente a la apertura de ventanas.

Cada vez que realicemos la simulación de un tipo de mejoras seleccionaremos la óptima,

la cual será incluida para las siguientes soluciones, a excepción de la modificación de las

superficies acristaladas debido a que no hemos considerado una solución a adoptar

debido al tiempo de aplicación y a la exigencia de mantener una estética adecuada, pero

hemos creído interesante la realización de su estudio.

4.1.1 Sustitución del vidrio de cerramientos externos

El objetivo de esta medida es la reducción de la demanda de calefacción, reduciendo el

descenso de la temperatura en el interior de nuestro edificio conservando al máximo el

calor generado en el interior debido a la radiación solar o al sistema de calefacción.

Para el análisis de los vidrios estudiaremos la variación de la demanda energética y la

radiación solar transmitida a través de las ventanas para cada vidrio respectivamente.

A continuación explicaremos brevemente las características térmicas de los vidrios y

cómo calcular sus parámetros.

Según el Documento Básico para el Ahorro de energía, en el apéndice E: cálculo de los

parámetros característicos de la demanda; necesitaremos conocer la transmitancia

térmica (U) de todos nuestros cerramientos. En la siguiente ecuación se muestra la

ecuación de la transmitancia térmica.

𝑈 =1

𝑅𝑡 ( 15)

donde:


52

U: transmitancia térmica [W/m2K] Rt: resistencia térmica [m2K/W]

Para el cálculo de la resistencia térmica de una capa térmicamente homogénea

emplearemos la siguiente expresión del apéndice E del DB-HE 1

𝑅 =𝑒

𝜆 ( 16)

donde: R: resistencia térmica (m2K/W). e: espesor de la capa (m).

𝜆: conductividad térmica de diseño del material que compone la capa. Se puede calcular a partir de los valores térmicos según la norma UNE-EN 10455:2012.

Como podemos observar en la anterior ecuación, para aumentar la resistencia térmica

de nuestro vidrio debemos aumentar el espesor o reducir la conductividad térmica;

consiguiendo así un mejor aislamiento térmico.

Debido a que una ventana se compone de una superficie acristalada y otra opaca, el

marco, en el cálculo de la transmitancia tenemos que tenerlo en cuenta. En la siguiente

ecuación se muestra la transmitancia para una ventana.

𝑈𝐻 = (1 − 𝐹𝑀) · 𝑈𝐻, 𝑣 + 𝐹𝑀 · 𝑈𝐻, 𝑚 ( 17)

donde:

UH: transmitancia térmica de la ventana [W/m2K]

FM: superficie del perfil [m2]

UH,v: transmitancia térmica del vidrio [W/m2K]

UH,m: transmitancia térmica del marco [W/m2K]

En nuestro caso hemos estimado en un 15% la superficie ocupada por los marcos

respecto a la total de la ventana para todas las simulaciones. La transmitancia térmica

del marco que hemos empleado es igual a 20,45 KJ/h m2K, correspondiente a un marco

metálico.

Una vez hemos conseguido aumentar la resistencia térmica, o lo que es lo mismo,

reducir la transmitancia térmica o coeficiente global de transmisión U, la transmisión de

calor será menor, como podemos observar en la siguiente ecuación:


53

𝑄 = 𝑈 · 𝐴 · ∆𝑇 [W] ( 18)

donde:

Q: transmisión de calor a través de una superficie U: coeficiente global de transmisión [W/m2K]

A: área de transmisión [m2]

∆𝑇: diferencia de temperatura [K]

Pero en el cálculo de la transmisión de calor a través de un vidrio tendremos en cuenta

el calor transmitido por conducción y convección. Para el caso de la convección

producida por la transmisión de calor con el aire en movimiento que está en contacto

con la superficie, utilizaremos los valores indicados en el DB-HE que se detallan más

adelante.

En la siguiente ecuación se muestra la ecuación de la transmitancia térmica través de un

vidrio multicapa mediante conducción y convección.

𝑈 =1

∑ 𝑅=

1

𝑅𝑠𝑖 + ∑𝑒𝑘

+ 𝑅𝑠𝑒=

1

1ℎ𝑖

+ ∑𝑒𝑘

+1

ℎ𝑒

( 19)

donde:

U: transmitancia térmica [W/m2] R: resistencia térmica del elemento [m2K/W] Rsi: resistencia térmica superficial interior [m2K/W] Rse: resistencia térmica superficial exterior [m2K/W] hi: coeficiente de convección interior [W/m2K] e: espesor del elemento [m] k: coeficiente de conductividad térmica del elemento [W/m K] he: coeficiente de convección exterior [W/m2K]

Según la Tabla 1 del Documento de Apoyo al Documento Básico DB-HE de Ahorro de

energía para el cálculo de parámetros característicos de la envolvente, los valores de las

resistencias térmicas superficiales debidas al aire exterior e interior son:


54

Figura 6. Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el aire exterior expresadas en m2K/W

En nuestro caso, los cerramientos son verticales, por lo tanto tomaremos 0,04 y 0,13

respectivamente.

Además del valor de la resistencia térmica (R) y el coeficiente global de transmisión (U),

anteriormente citados, otros valores y características que hay que tener en cuenta para

el análisis de los distintos cerramientos acristalados son:

Factor solar: porcentaje de radiación solar que atraviesa el vidrio respecto a la

que incide sobre la superficie. Dependerá principalmente de los tratamientos aplicados

al vidrio y su color.

Composición: esto influirá en la resistencia del vidrio, la cual será mayor si

disponemos de un mayor número de vidrios. Actualmente se comercializan ventanas

con un máximo de cuatro vidrios. Además actualmente se suelen emplear vidrios los

cuales incorporan una cámara de aire o un gas inerte para aumentar la resistencia

térmica entre dos capas adyacentes.

Con todas estas características y valores a tener en cuenta, en el mercado existen

distintas configuraciones, las más importantes son:

Cristal simple o monolítico: son los más empleados debido a su sencillez pero

son los que permiten la mayor transferencia de energía y radiación solar.

Existen vidrios con espesores entre 2 y 6mm.

Cristal doble con cámara: compuestos por dos vidrios los cuales están

separados por un espacio hermético de aire o argón. El doble acristalamiento

reduce las pérdidas de calor, reduciendo el valor del coeficiente global de

transferencia de calor U en un 50% en ocasiones. Además permite la entrada


55

de radiación solar. Los espesores empleados de vidrio oscilan entre 4 y 6mm

con un espesor de cámara entre 6 y 12mm.

Cristal doble con baja emisividad: son aquellos vidrios en los que en una cara

del vidrio ha sido pulverizada un material el cual impide la transmisión de

energía, normalmente suele ser plata. Los espesores son los mismos que en

el caso del doble cristal con cámara.

Cristal doble con control solar: en estos vidrios el tratamiento mediante un

material metálico utilizado en la cara expuesta al exterior permite reflejar

parte de la radiación incidente en la superficie. Los espesores son los mismos

que en el caso del cristal doble con cámara.

Cristal triple y cuádruple: utilizado en pocas ocasiones debido a su alto coste

son ventanas donde le añaden tres o hasta cuatro vidrios separados todos

ellos por una cámara de aire o argón. En la siguiente ilustración se muestra un

ejemplo de una ventana de triple vidrio.

A continuación analizaremos distintos tipos de vidrios de la base de datos del software

Trnsys según sus características.

Vidrio Espesores

[mm] U vidrio [W/m2K]

Factor transmitido

Factor absorbido

Factor reflejado

Original (simple oscuro)

6 5,73 0,44 0,51 0,05

Simple claro 6 5,73 0,79 0,13 0,08

Doble claro 6/8/6 3,21 0,63 0,23 0,14

Doble bajo emisivo

6/8/6 2,46 0,63 0,23 0,14

Triple claro 4/8/4/8/4 2,26 0,58 0,24 0,12 Tabla 14. Características principales de los vidrios estudiados

Una vez definidas las características de los distintos vidrios, procederemos a la

simulación de los mismos para estudiar la variación de la demanda de calefacción y

refrigeración.

Hay que tener en cuenta que todas las zonas que reciben radiación solar están previstas

de elementos de sombra interiores. Para la introducción de estos elementos hemos

considerado un factor de sombra para elementos interiores igual a 0,6, correspondiente

a un color medio.

En la siguiente tabla mostraremos la radiación solar transmitida al interior a través de

las ventanas para la zona correspondiente a la “Oficina”, la cual está compuesta por un


56

cerramiento acristalado de 22,5m2 con orientación sur-este, y uno de 9m2 con

orientación sur cuya superficie interior de la zona asciende a 60,55m2. El análisis se

realizará para el día 14 de julio al tratarse de un día despejado.

Gráfico 12. Radiación solar transmitida al interior de la “oficina” el 14 de julio para cada vidrio.

Según el anterior gráfico el vidrio a través del cual atravesará la mayor parte de la

radiación solar es el doble claro bajo emisivo. El vidrio originalmente instalado es el

vidrio que recibe menos radiación de todos los vidrios estudiados, esta decisión se tomó

para reducir la refrigeración mediante el oscurecimiento del vidrio, pero sacrificando la

calefacción, ya que en la siguiente tabla podemos observar como con el vidrio original

obtenemos una mayor calefacción.

Vidrios Refrigeración [kWh/m2 año]


Total [kWh/m2 año]

Original(simple oscuro) 55,89 13,85 69,74

Simple claro 68,01 10,44 78,45

Doble claro 68,39 6,55 74,94

Doble bajo emisivo 72,63 4,78 77,41

Triple transparente 68,22 4,72 72,94 Tabla 15. Demandas energéticas según cada vidrio simulado.

Nuestro objetivo con la sustitución de los vidrios era la reducción de la calefacción.

Como podemos observar en la anterior tabla, a medida que introducimos más vidrios la

demanda de calefacción disminuye, pero las características ópticas producidas por los

tratamientos aplicados en los vidrios también son importantes. Es por ello por lo que

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Original(oscuro) Simple claro Doble claro Doble clarobajo emisivo

Triple claro

W/m

^2 d

ia

Radiación solar transmitida al interior


57

mediante el vidrio simple claro obtenemos una reducción del 25% de la calefacción

comparado con el vidrio original simple oscuro.

Atendiendo a los resultados y sin tener en cuenta aún los costes económicos de las

soluciones alternativas elegiremos el vidrio doble bajo emisivo como solución óptima

suponiendo una reducción del 65% de la demanda de calefacción original, aunque

tenemos que tener en cuenta el aumento del 11% de la demanda total debido al

incremento en la refrigeración del 30%. El motivo por el cual no hemos seleccionado el

vidrio triple claro es por la ligera diferencia que supone respecto al doble bajo emisivo.

El aumento de la refrigeración será reducido mediante la implementación de sistemas

de sombreamiento analizado en el siguiente apartado.

4.1.2 Aplicación de sistemas de sombreamiento

La implementación de sistemas de sombreamiento tanto interiores como exteriores

tiene como objetivo evitar la entrada de radiación solar directa y/o luz exterior, lo que

se traduce en una disminución de la demanda de refrigeración.

La manera de cuantificar el porcentaje de radiación solar que absorbe nuestro sistema

u obstáculo es mediante el factor de sombra. El factor de sombra es la proporción de

radiación solar que incide sobre el obstáculo entre la que lo atraviesa. Por ejemplo, si

tenemos un sombreamiento con un factor de sombra de 0,6 el elemento estará

permitiendo la entrada del 60% de la radiación total.

Aunque actualmente en el edificio de estudio se emplean sistemas interiores de

sombreamiento como cortinas, siempre es recomendado impedir la entrada de esta

radiación desde fuera de la ventana, ya que si utilizamos persianas interiores estaremos

acumulando una gran masa de calor en el interior de nuestra zona, la cual producirá un

aumento de la temperatura de nuestra zona. Por lo tanto todos los elementos que

analizaremos tendrán el objetivo de impedir la entrada de radiación al interior de

nuestro edificio.

Existen diversos sistemas de sombreamiento, por lo tanto analizaremos la demanda

para cada sistema y elegiremos el óptimo.

Los principales sistemas de sombreamiento que existen y vamos analizar son los

siguientes:

Retranqueo y voladizo


58

Es un sistema que consiste en introducir la ventana en un hueco el cual le proporcionara

sombra de manera horizontal en el caso del retranqueo y en la vertical mediante el

voladizo. En la siguiente figura se representan dichos sistemas.

Según la Tabla 11 del DA-DB-HE 1 según la orientación y longitud de estos sistemas

tenemos un factor de sombra determinado.

Figura 7. Factor de sombra para voladizos

Ya que el factor de sombra no es constante durante todo el día y varía según la estación

del año debido al movimiento del sol, calcularemos el factor de sombra para distintas

longitudes de voladizo para cada instante de tiempo mediante Trnsys.

Debido al tipo de acristalamiento no hemos considerado una solución alternativa el

sombreamiento mediante retranqueo. Simplemente analizaremos la introducción de un

voladizo con distintas longitudes.

En todas las simulaciones hemos incluido unos elementos de sombreamiento interno

los cuales están presentes en nuestro edificio. Todos los cerramientos en los que se

implementarán los voladizos disponen de una superficie acristalada de 3m de altura.

La zona correspondiente a la entrada del edificio “Entrada” la cual no disponía de ningún

elemento de sombra, también ha sido optimizada mediante la implementación de un

voladizo.

En la siguiente tabla se muestra la demanda de refrigeración y calefacción para cada

valor de longitud del voladizo.


59

Longitud [m]



Total [kWh/m2 año]

Original (0) 72,63 4,78 77,41

1 56,19 5,66 61,85

2 50,95 6,93 57,88

3,5 48,50 8,44 56,94

5 47,98 9,45 57,43 Tabla 16. Estudio de la longitud del voladizo

Claramente podemos apreciar en los resultados obtenidos como a medida que

aumentamos la longitud del voladizo la demanda de refrigeración disminuye hasta un

punto (2 m) donde no varía significativamente aunque aumentemos la longitud del

voladizo.

Respecto a la calefacción podemos observar como la implementación del voladizo

supone un aumento de la calefacción, el cual va en crecimiento con su longitud.

Gráfico 13. Irradiancia solar total recibida para la segunda semana de Enero.

Si observamos el gráfico de la irradiancia solar total recibida para toda la superficie de

cerramientos acristalados, cuya superficie equivalente asciende a 70,5 m2, para el mes

de enero observamos que debido a la baja altura solar, recibimos aproximadamente un

25% de radiación solar menos que en el caso de no tener ningún voladizo. Este aspecto

no nos favorece ya que aumentará la demanda de calefacción por el contrario.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 7

13

19

25

31

37

43

49

55

61

67

73

79

85

91

97

10

3

10

9

11

5

12

1

12

7

13

3

13

9

14

5

15

1

15

7

16

3

W/m

^2

Irradiancia solar para6/01-12/01

Original Voladizo 2m


60

Para el mes de julio la radiación por unidad de superficie acristalada (irradiancia) que

recibimos es la siguiente:

Gráfico 14. Irradiancia solar total recibida para la tercera semana de Julio.

La primera diferencia que observamos respecto a la irradiancia recibida en enero es la

disminución de la misma, debido a que en los meses donde el sol se encuentra más bajo

respecto al horizonte, el ángulo de incidencia es menor y en cambio en los meses de

verano el Sol alcanza una mayor altura solar, proyectando dichos rayos con un ángulo

de incidencia mayor.

Respecto a la irradiancia recibida cuando disponemos de un voladizo de 2m de longitud

en todos nuestros cerramientos exteriores con superficie acristalada podemos afirmar

que recibimos una media de un 45% menos de irradiancia solar en todos nuestros

cerramientos para el mes de julio.

La utilización de voladizos puede parecer interesante, pero se trata de una solución la

cual no puede ser controlada por el usuario o por algún dispositivo de control ya que es

un dispositivo fijo perjudicando por lo tanto a la calefacción.

Toldo solar

Un toldo es un sistema que mediante una superficie opaca verticalmente con un cierto

ángulo respecto a la vertical, supone un obstáculo para la radiación solar recibida por

0

20

40

60

80

100

120

140

1 7

13

19

25

31

37

43

49

55

61

67

73

79

85

91

97

10

3

10

9

11

5

12

1

12

7

13

3

13

9

14

5

15

1

15

7

16

3

16

9

W/m

^2

Tíempo [h]

Irradiancia solar para14/07-21/07

Original Voladizo 2m


61

nuestro vidrio, ya que proyecta una sombra sobre la ventana en la cual está colocado,

evitando así la mayor entrada de radiación directa al interior.

El aspecto más importante de ésta solución es la capacidad de control por el usuario, el

cual puede decidir su utilización en los meses donde necesite la refrigeración y por el

contrario, aprovechar la radiación solar en los meses de otoño e invierno mediante el

control sobre dicho elemento.

Según la Tabla 14 del DA-DB-HE 1 según la orientación, tipo de tejido y ángulo de

proyección tenemos un factor de sombra determinado.

Figura 8. Factores de sombra para toldos según el DA-DB-HE1

Para el análisis de la demanda mediante el uso de toldos, hemos empleado el caso A

con un ángulo α de 45° con tejido opaco, aunque como en el caso anterior no

tomaremos los valores proporcionados por el CTE, si no que calcularemos la función del

factor de sombra según la posición del Sol durante todo el año.

Función del factor de sombra de un toldo solar inclinado 45°

Para la definición de la función que representará el factor de sombra producido por un

toldo solar durante todo el año tomaremos el valor del ángulo cenital como variable

conocida.

El ángulo cenital representa la posición del Sol respecto a la normal local. Toma valores

desde 0° a 100°.

Para la simulación mediante Trnsys hemos tenido que definir la función del factor de

sombra según los valores de los ángulos generados por Trnsys. Para el ángulo cenital

evoluciona desde los 100° cuando el Sol está más bajo hasta los 10° cuando el Sol se

encuentra con la máxima altura solar para los meses de verano en el hemisferio norte.


62

El ángulo cenital corresponde a la vertical de la Tierra con origen en el Polo Norte. El

valor supera los 90° debido a la declinación solar que provoca que el eje vertical de la

Tierra se encuentre ligeramente inclinado.

Los valores del factor de sombra oscilan desde 0 (cuando el cero por ciento de la

radiación solar directa es absorbida por el vidrio) y 1 (cuando el cien por cien de la

radiación solar directa es absorbida por el vidrio).

En los momentos donde el ángulo cenital oscila entre 55 y 100° hemos definido unos

valores de sombra mediante geometría. A continuación hemos aproximado los valores

a la evolución de una recta.

Ángulo cenital [°]

Factor de sombra [tanto por 1]

55 0

70 0,2

80 0,3

100 0,4 Tabla 17.Valores definidos para la creación de la ecuación de la recta para el toldo solar

La función del factor de sombra resultante para todos los rangos de valores es:

𝑓(𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡) = {0; 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 < 55

0,0088𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 − 0,444 1; 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 > 100

; 55 ≤ 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 ≤ 100 ( 20)

Para observar la evolución de la radiación mediante el uso de los toldo, representaremos

dicha radiación directa total recibida el 20 de Julio.

Para mostrar la evolución de la radiación solar directa elegiremos la orientación Sur-

Este. Dicho toldo solar solo se activará cuando este activado el modo refrigeración, es

decir desde marzo hasta octubre.

El toldo solar ha sido implementado en todos los cerramientos exteriores compuestos

por superficies acristaladas, incluida la zona perteneciente a la “entrada”.


63

Gráfico 15. Radiación total directa recibida en toda la orientación Sur-Este el 20 de julio.

Como podemos observar en el anterior gráfico para la orientación Sur-Este recibimos un

24% de la radiación directa total respecto a la que recibiríamos si no tuviéramos ningún

elemento que produjera sombra. También se aprecia como recibimos esa cantidad de

radiación durante las primeras horas de la mañana, dicho efecto ocurre al contrario para

la orientación Sur-Oeste, donde la radiación la recibe durante las últimas horas del día.

Gráfico 16. Radiación total directa recibida en toda la orientación Sur el 20 de julio.

En cambio sí representamos la radiación directa recibida en la orientación sur para el 20

de julio observamos cómo debido a que la trayectoria del Sol alcanza una elevada altura

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

W/m

2

Tiempo [h]

Radiación directa recibida en el Sur-Este20 de Julio

"Toldo 45º" "Original"

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

W/m

2

Tiempo [h]

Radiación directa recibida en el Sur20 de Julio

"Toldo 45º" "Original"


64

solar, no recibimos radiación directa en la orientación Sur mediante la instalación del

toldo solar.

A continuación mostraremos la repercusión del toldo solar en las demandas:



Total [kWh/m2 año]

Original 68,39 6,55 74,94

Toldo solar 14,82 6,55 21,37 Tabla 18. Demandas energéticas aplicando la solución del toldo solar

Mediante la tabla de los resultados obtenidos para la implementación del toldo solar en

todos los cerramientos que dispongan de superficie acristalada, observamos una

reducción del 78% en la demanda de refrigeración. La calefacción se puede suponer

invariable debido a que dicha solución solo es activada por el usuario cuando el modo

refrigeración está activado.

Lamas horizontales y verticales

El uso de lamas se basa en el mismo fundamento que los toldos. Según el ángulo y la

separación entre ellas permitiremos una entrada de radiación directa y luz según el

momento del día.

Las lamas horizontales tienen un mayor rendimiento en fachas con orientación Sur ya

que en esa orientación el Sol alcanza una mayor altura solar y las lamas regulan la

entrada de luz de arriba a abajo. En el caso de las lamas verticales su máximo

rendimiento lo obtienen en orientaciones Este y Oeste.

Según la Tabla 13 del DA-DB-HE 1 según la orientación y longitud tenemos un factor de

sombra determinado.


65

Figura 9. Factores de sombra para lamas horizontales y verticales según el DA-DB-HE1

Dichos valores proporcionados por el CTE son un promedio del valor del factor de

sombra que se produce durante un año completo. Debido al gran error que supondría

tomar dichos valores constantes calcularemos las funciones del factor de sombra.

Función del factor de sombra de una lama vertical inclinada 60° en el Sur-Oeste

En este caso el factor de sombra para una lama vertical será en función del ángulo

azimut.

El ángulo azimut solar es el cual forma el propio Sol y el Norte en sentido de rotación de

las agujas del reloj alrededor del horizonte de un observador.

Para éste caso hemos definido la ecuación de una recta también para los momentos en

los cuales el ángulo azimut toma valores entre 15 y 105. Los valores a partir de los cuales

hemos obtenido la ecuación de la recta son los siguientes:

Ángulo azimut [°]

Factor de sombra [tanto por uno]

15 0

30 0,2

60 0,5

90 0,8

105 1 Tabla 19. Valores definidos para la creación de la recta de la lama vertical Sur-Oeste


𝑓(𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡) = {0; 𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡 < 15

0,0108 · 𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡 − 0,1462 1; 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 > 105

; 15 ≤ 𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡 ≤ 105 ( 21)


66

Función del factor de sombra de una lama vertical inclinada 60° en el Sur-Este

Los valores que hemos definido del factor de sombra cuando el ángulo azimut

evoluciona desde -15 a -105° para el caso de las lamas verticales para la orientación Sur-

Este son los siguientes:

Ángulo azimut [°]


-105 1

-90 0,8

-60 0,6

-30 0,5

-15 0 Tabla 20. Valores definidos para la creación de la recta de la lama vertical Sur-Oeste


𝑓(𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡) = {0; 𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡 > (−15)

−0,0107 · 𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡 − 0,1147 1; 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 > (−105)

; (−105) ≤ 𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡 ≤ (−15) ( 22)

Función del factor de sombra de una lama horizontal inclinada 60°

En el caso de las lamas horizontales, también hemos definido la función del factor de

sombra en función del ángulo cenit, como en el caso del toldo solar.

Los valor definidos para el factor de sombra cuando el ángulo cenital toma valores desde

70 a 100° son los siguientes:

Ángulo cenit [°]


70 0

80 0,2

90 0,3

100 0,4 Tabla 21. Valores definidos para la creación de la recta de la lama horizontal.


𝑓(𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡) = {0; 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 < 70

0,013 · 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 − 0,88 1; 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑡 > 100

; 70 ≤ 𝑎𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡 ≤ 100 ( 23)


67

Utilizaremos lamas verticales inclinadas 60° para las orientaciones Sur-Este y Sur-Oeste

y las lamas horizontales inclinadas 60° para la orientación Sur.

Dichos ángulos han sido escogidos ya que suponen el menor factor de sombra y por lo

tanto producen la mayor reducción de la radiación solar.

La activación de todas las lamas se realizará exclusivamente en los meses en los cuales

necesitemos el sistema de refrigeración.

A continuación observaremos la radiación global recibida para cada orientación el 20 de

julio y la compararemos con la original, en la cual no tenemos ningún elemento de

sombra. Hemos analizado la radiación global porque el 100% del tiempo las lamas

verticales reciben radiación difusa, debido a la inclinación que hemos fijado y solo

durante los meses de invierno y otoño durante un corto periodo de tiempo recibimos

radiación directa para el caso de las lamas horizontal, pero en este periodo de tiempo

las lamas permanecen completamente abiertas, permitiendo la entrada total de la

radiación para contribuir favorablemente a la calefacción.

Lama vertical inclinada 60° para orientación Sur-Oeste

Gráfico 17. Radiación global en el Sur-Oeste el 20 de julio.

Como podemos observar en la anterior representación, gracias a la implementación de

las lamas verticales en los cerramientos orientados hacia el Sur-Oeste, empezamos a

recibir radiación a partir de las 15h, en vez de recibir radiación desde las 7h. También se

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

W/m

2

Tiempo [h]

Radiación global Sur-Oeste20 de Julio

Original

lama_vertical_60


68

puede observar como cuando el sol alcanza el Oeste, a las 20h recibimos el 100% de la

radiación, pero en ese momento no existe personal, por lo tanto la refrigeración esta

desactivada.

Lama vertical inclinada 60° para orientación Sur-Este

Gráfico 18. Radiación global en el Sur-Este el 20 de julio.

Al contrario que ocurría en la lamas situadas en la orientación Sur-Oeste, cuando nos

encontramos en los cerramientos orientados al Sur-Este la radiación atraviesa nuestra

zona hasta las 15h, momento en el cual ya no recibimos radiación.

Lama horizontal inclinada 60° para orientación Sur

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

W/m

2

Tiempo [h]

Radiación global Sur-Este20 de Julio

Original

lama_vertical_60


69

Gráfico 19. Radiación global recibida en el Sur el 20 de julio.

Como en el análisis del toldo solar, la radiación que recibimos en el caso de una lama

horizontal orientada al Sur es prácticamente nula cuando colocamos una lama

horizontal.

A continuación mostramos la tabla comparativa con los valores de las demandas

obtenidas cuando simulamos el conjunto de lamas en nuestros cerramientos.



Total [kWh/m2 año]

Original 68,39 6,55 74,95

Lamas 34,69 6,55 41,24 Tabla 22. Demandas totales del caso original y con lamas.

Como podemos observar la solución de las lamas resulta muy efectiva reduciendo la

demanda de refrigeración en un 49% respecto a la original.

La demanda de calefacción permanece invariable debido a que el sistema de lamas

permite su control y por lo tanto sólo se activará para los meses en los que necesitemos

la refrigeración para permitir la entrada de radiación solar en los meses donde tengamos

activado la calefacción.

Resultados obtenidos para los distintos sistemas de sombreamiento

Mediante la siguiente tabla seleccionaremos la medida de sombreamiento más

apropiada de todas las analizadas anteriormente.

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

W/m

2

Tiempo [h]

Radiacion global Sur20 de Julio

Original

lama_horizontal_60


70

Medida Refrigeración [kWh/m2 año]


Total [kWh/m2 año]

Situación original 68,39 6,55 74,94

Voladizo 2 m 50,95 6,93 57,88

Toldo solar 14,82 6,55 21,37

Lamas verticales y horizontales

34,69 6,55 41,24

Tabla 23. Comparativa de las soluciones alternativas para sistemas de sombreamiento

Si nos fijamos en los resultados expresados en la anterior tabla concluimos en que la

introducción del toldo solar es la solución con la cual obtenemos una reducción del 78%

de la demanda de refrigeración.

4.1.3 Reducción de las superficies acristaladas

En el siguiente apartado analizaremos el caso teórico en el que redujéramos en un 100,

50 y un 25% la superficie ocupada por los cerramientos acristalados y utilizáramos un

muro de fachada con aislamiento.

Dicha solución no será adoptada ya que conllevaría una gran modificación de la

envolvente y hemos decidimos mantener los cerramientos de vidrio para el

aprovechamiento de la luz natural.

Los materiales están representados de tal manera que el primero corresponde con la

cara exterior del muro. Las características de los materiales utilizados han sido obtenidas

del Código Técnico de Edificación (CTE).

Muro composición 1:

U= 0,44 W/m2K

Peso= 292 kg/m2

Espesor total= 20,5 cm


(m2K/W) Peso

(kg/m2)

1 ½ pie LM métrico 40mm 0,115 0,110 249,6

2 Mortero cemento 0,010 0,019 22,9

3 MW Lana mineral 0,060 1,935 2,4

4 Enlucido yeso 0,015 0,026 17,2

Tabla 24. Muro composición 1 utilizada en sustitución del cerramiento acristalado


71

Para ésta simulación tomaremos como situación inicial el sistema de vidrio simple

absorbente y el sombreamiento interior inicialmente instalados.

Una vez realizada la simulación mediante Trnsys obtenemos los siguientes resultados:



Total [kWh/m2 año]

Original 100% sup.ventanas

55,89 13,85 69,74

75% sup.ventanas 45,98 13,93 59,91

50% sup.ventanas 35,30 14,58 49,88

0% sup.ventanas 24,32 17,12 41,43 Tabla 25. Demandas totales según la superficie de los cerramientos acristalados

Como era de esperar, a medida que reducimos la superficie de ventanas la demanda de

refrigeración disminuye hasta un máximo de un 56%, momento en el cual no

disponemos de ningún cerramiento acristalado; y aumenta la calefacción en un 24%

respecto a la situación inicial.

En resumen, si el edificio estudiado dispusiera de muros de fachada aislados exteriores

en lugar de cerramientos acristalados tendría un 41% de la demanda energética inicial.

Como hemos comentado anteriormente este análisis lo hemos encontrado interesante

de simular pero no será incluido para las mejoras posibles para la optimización de la

demanda energética debido a la gran modificación de la envolvente y a la necesidad del

usuario de conservar la luz natural.

4.1.4 Sistemas de ventilación

Para la reducción de la demanda de refrigeración analizaremos la influencia de la

ventilación nocturna. La ventilación solo se realizará cuando el modo refrigeración este

activado debido a las condiciones meteorológicas.

La ventilación la realizaremos para todas las zonas exteriores en contacto con el aire

exterior, incluyendo la entrada de nuestro edificio. No hemos implementado la

ventilación en las zonas interiores para evitar la complejidad a la hora de transportar el

aire exterior a las zonas interiores mediante conductos de aire.

Estos son los perfiles de ventilación que hemos diseñado:

Perfil 1: ventilación nocturna de 6:00-8:00h con un caudal de 10 ren/h




72

Para la simulación de todos los sistemas hemos incluido las mejoras de vidrios (vidrio

doble bajo emisivo) y la implementación de sistemas de sombreamiento (toldo solar).

En primer lugar vamos a observar el efecto de la ventilación nocturna en la evolución de

la temperatura interior. Para ello elegiremos la zona de la oficina para el 14 de julio.

Gráfico 20. Evolución de la temperatura interior de la oficina según el tipo de ventilación nocturna

Gracias al anterior gráfico podemos obtener tres conclusiones. La primera corresponde

a la duración de la ventilación, donde podemos observar como con 2 horas de

ventilación es suficiente para reducir la temperatura interior dos grados centígrados. La

segunda conclusión que obtenemos al observar el gráfico es el efecto de la entrada de

personal y el consiguiente efecto producido por la iluminación y todas las cargas

térmicas que se produce a las 8:00h, momento a partir del cual la temperatura comienza

a ascender con gran pendiente. Esto se debe también al hecho de disponer de

cerramientos acristalados los cuales tienen una baja inercia térmica la cual provoca que

la temperatura exterior se iguale a la interior muy rápidamente. Por último podemos

predecir que el efecto de la ventilación nocturna no será muy notorio en la reducción de

la refrigeración, ya que la evolución entre ellos es muy similar, alcanzando al mismo

tiempo prácticamente la temperatura a la cual la refrigeración se activa, es decir a los

25°C.

En la siguiente tabla se representan las demandas totales de nuestro edificio según la

implementación de los perfiles de ventilación nocturna.

20

22

24

26

28

30

32

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Tem

per

atu

ra [

°C]

Tiempo [h]

Evolución temperaturas15 de julio

Temperatura exterior Sin ventilación 6-8h(10)

6-8h(20) 6-8h(30)


73

Ventilación nocturna Refrigeración [kWh/m2 año]


Total [kWh/m2 año]

Original 14,48 6,55 21,03

6:00-8:00h (10ren/h) 13,37 6,55 19,92

6:00-8:00h (20ren/h) 13,21 6,55 19,76

6:00-8:00h (30ren/h) 13,11 6,55 19,66 Tabla 26. Demandas energéticas para cada tipo de ventilación nocturna simulada.

Mediante la tabla de resultados para cada perfil de ventilación nocturna observamos

como la disminución de la demanda de refrigeración, no es muy significativa, esto se

debe principalmente a que la temperatura interior aumenta rápidamente desde la

entrada de personal y debido a nuestro horario de entrada y salida de personal el efecto

no es suficientemente aprovechable.

La ventilación nocturna entre las 6:00-8:00h con un caudal de 30 renovaciones/hora

supone un ahorro de un 9% en la refrigeración.

Esta medida es utilizada en grandes centros comerciales los cuales permanecen abiertos

durante la noche, permitiendo una refrigeración sin ningún coste eléctrico salvo el de

los ventiladores. Si nuestro edificio presentara un horario nocturno laboral el uso de la

ventilación sería más significante.

La combinación de la ventilación nocturna, unos cerramientos los cuales tuvieran

suficiente masa como para ralentizar la entrada de calor al interior y un sistema de

sombreamientos mediante toldos solares sería la opción más óptima.

Si deseamos que la temperatura exterior no se transmita tan rápidamente al interior de

nuestras zonas se deberán emplear cerramientos con una mayor masa para aumentar

así su inercia térmica y reducir la velocidad con la que transmiten el calor al interior

4.2 Evaluación de ventajas e inconvenientes de cada solución y

determinación de la solución óptima

Las ventajas e inconvenientes principales que existen con las soluciones que hemos

analizado y adoptado son:

Sustitución del vidrio simple absorbente por un vidrio doble bajo emisivo

La principal ventaja con esta solución es la reducción de la calefacción en un 25%.


74

En cambio el inconveniente que nos encontramos al implementar dicho vidrio es el

aumento en la refrigeración en un 30%, debido principalmente al tratamiento óptico

presente en el vidrio absorbente el cual absorbe un 51% de la radiación solar a diferencia

del 23% de la radiación que absorbe el doble bajo emisivo.

Si tenemos en cuenta también el coste económico, este tipo de vidrios suponen un alto

coste comparado con otras soluciones constructivas.

Toldo solar

Las ventajas que obtenemos con la instalación de toldos solares en todos los

cerramientos acristalados exteriores son la reducción notable de la refrigeración hasta

en un 78% y la posibilidad de control del sistema para aprovechar la radiación solar en

los meses donde empleamos la calefacción.

El principal inconveniente se basa en la modificación de la estética exterior de nuestro

edificio, inconveniente el cual no tendremos en cuenta para el presente estudio.

Ventilación nocturna

En el caso del aprovechamiento de las condiciones exteriores mediante la ventilación

nocturna entre las 6:00-8:00h con un caudal de 30 ren/h, la ventaja que encontramos

es la ligera reducción del 9% en la refrigeración simplemente introduciendo aire exterior

durante dos horas antes de la entrada de personal. El inconveniente se basaría en el

coste de los ventiladores que utilizaríamos para la entrada de dicho aire.

La solución óptima a la que hemos llegado se basa en la combinación de las tres

soluciones para la optimización máxima de la demanda energética.


75

5 Resultados

En este apartado mostraremos los resultados detallados de la simulación de nuestro

edificio una vez hemos implementado la solución óptima.

5.1 Demanda optimizada de calefacción y refrigeración

Los resultados que mostraremos a continuación hacen referencia a la demanda tanto

de refrigeración como de calefacción total para cada zona climatizada de nuestro

edificio y las demandas mensuales totales de nuestro edificio.

Original Optimizada

Zona climatizada

Refrigeración Calefacción Total Refrigeración Calefacción Total

[kWh/m2 año]

[kWh/m2 año]

[kWh/m2 año]

[kWh/m2 año]

[kWh/m2 año]

[kWh/m2 año]

Sala reunión 1,63 0,01 1,64 1,13 0,01 1,14

Despacho1 13,77 2,69 16,46 2,08 0,56 2,63

Despacho2 6,93 3,15 10,08 1,25 1,30 2,55

Despacho3 8,7 2,86 11,56 2,02 1,12 3,14

Oficina 23,71 2,95 26,66 6,15 0,57 6,72

Distribuidor 1,15 2,19 3,35 0,48 1,26 1,74

Total 55,89 13,85 69,74 13,11 4,82 17,93 Tabla 27. Resultado de la optimización de las demandas energéticas para cada zona climatizada

Según la anterior tabla observamos como la principal reducción se ha producido en la

demanda energética total anual de la zona correspondiente a la oficina, debido a que

era la zona con mayores ganancias térmicas principalmente debido a la radiación solar

y al tratarse de la zona con mayor superficie.


76

Gráfico 21. Comparación de la demanda total de las zonas climatizadas

Mediante el anterior gráfico podemos observar cómo hemos equilibrado y optimizado

la demanda energética total de cada zona al máximo. La máxima optimización

conseguida asciende a un 75% para la zona correspondiente a la oficina.

A continuación mostraremos las demandas totales mensuales.

Zona climatizada

Original Optimizada

Refrigeración Calefacción Total Refrigeración Calefacción Total

[kWh/m2 año] [kWh/m2

año] [kWh/

m2 año] [kWh/m2

año] [kWh/m2

año] [kWh/

m2 año]

Enero 0,00 4,50 4,50 0,00 1,90 1,90

Febrero 0,00 2,85 2,85 0,00 0,96 0,96

Marzo 0,00 1,79 1,79 0,00 0,41 0,41

Abril 0,62 0,00 0,62 0,00 0,00 0,00

Mayo 2,73 0,00 2,73 0,01 0,00 0,01

Junio 6,80 0,00 6,80 1,23 0,00 1,23

Julio 13,52 0,00 13,52 4,54 0,00 4,54

Agosto 16,37 0,00 16,37 5,68 0,00 5,68

Septiembre 10,30 0,00 10,30 1,59 0,00 1,59

Octubre 5,54 0,00 5,54 0,06 0,00 0,06

Noviembre 0,00 1,24 1,24 0,00 0,31 0,31

Diciembre 0,00 3,47 3,47 0,00 1,23 1,23

Total 55,89 13,85 69,74 13,11 4,82 17,93 Tabla 28.Resultados de la optimización de las demandas energéticas para cada mes del año.

0

5

10

15

20

25

30

Sala reunión Despacho1 Despacho2 Despacho3 Oficina Distribuidor

kWh

/m^2

añ

o

Demandas anuales totales

Original Optimizada


77

Gráfico 22. Comparación de la demanda de refrigeración mensual después de la optimización.

Una vez realizada la optimización, observamos que agosto continúa siendo el mes del

año donde la demanda de refrigeración es mayor (5,68 kWh/m2 año) y el mes donde la

demanda de calefacción es mayor corresponde al mes de enero (1,9kWh/m2 año).

5.2 Radiación solar recibida por los cerramientos exteriores

La radiación solar total que nuestros cerramientos exteriores absorben durante todo el

año era el principal objetivo que buscábamos reducir. Debido a la implementación del

elemento de sombra, la radiación ha sufrido una severa reducción para los meses donde

es necesaria la refrigeración, ya que para los meses donde empleamos la calefacción el

control de sombra será desactivado. Según el tipo de material y colocación podemos

reducir la radiación recibida en un 95% respecto la original dónde no emleabamos

ningun tipo de elemento para bloquear dicha radiación.

5.3 Temperaturas interiores

Mediante la representación de las temperaturas interiores podemos observar en que

momentos se activa la refrigeración y la calefacción.

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00kW

h/m

^2 a

ño

Demandas mensuales

Refrigeración original Calefacción original Refrigeración optimizada Calefacción optimizada


78

Gráfico 23. Resultado de la evolución de la temperatura interior para la tercera semana de julio.

Mediante el anterior gráfico observamos como para el mes de julio la refrigeración

estará en funcionamiento la mayor parte del tiempo para la zona de la oficina, aunque

se activará durante un menor periodo de tiempo en comparación con la evolución de la

temperatura original.

5.4 Ahorro energético

En este apartado observaremos el porcentaje equivalente a la reducción de nuestra

demanda en refrigeración. La calefacción no ha sido optimizada, por lo tanto no

consideramos ningún ahorro en la demanda de calefacción.

Mes

Total Ahorro

[%] [kWh/m2 año]

Original Optimización

Enero 4,50 1,90 57,72

Febrero 2,85 0,96 66,22

Marzo 1,79 0,41 76,94

Abril 0,62 0,00 100,00

Mayo 2,73 0,01 99,64

Junio 6,80 1,23 81,85

Julio 13,52 4,54 66,41

Agosto 16,37 5,68 65,33

Septiembre 10,30 1,59 84,60

18

20

22

24

26

28

30

32

34

4730 4750 4770 4790 4810 4830 4850 4870 4890

Tem

per

atu

ra [

ºC]

Tiempo [h]

Temperatura oficina14/07 -20/07

Original

Optimización


79

Octubre 5,54 0,06 98,88

Noviembre 1,24 0,31 74,98

Diciembre 3,47 1,23 64,50

Total 69,74 17,93 74,29 Tabla 29. Porcentaje del ahorro mensual y anual en la refrigeración

En la anterior gráfica observamos cómo hemos generado un ahorro energético total

anual equivalente al 74%.

5.5 Ahorro económico

Para estimar el ahorro económico que supondría la implementación de las soluciones

adoptadas deberíamos calcular el consumo eléctrico de la enfriadora para cada instante

de tiempo, lo que conlleva conocer cuál es el la eficiencia real para cada instante, ya que

ésta varía según las condiciones de funcionamiento. Debido a que no tenemos la

capacidad para conocer la eficiencia real, utilizaremos un valor aproximado para la

eficiencia, o también conocida como COP (Coefficient of Performance), de la enfriadora

para el modo de refrigeración y calefacción igual a 3.

En la siguiente ecuación se muestra una aproximación del consumo eléctrico que

supondría la refrigeración y la calefacción de nuestro edificio.

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜 =𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎

𝐶𝑂𝑃

( 24)

donde: Consumo eléctrico estimado: aproximación del consumo eléctrico para una demanda y un COP determinados [kWh] Demanda térmica: energía térmica necesaria para mantener unas condiciones de confort determinadas [kWh]

COP: eficiencia para una maquina frigorífica

Si empleamos la anterior ecuación para cada mes del año obtendremos el consumo

eléctrico mensual.


80

Mes

Total

[kWh]

Original Optimización

Enero 227,55 96,21

Febrero 144,12 48,67

Marzo 90,51 20,88

Abril 31,35 0,00

Mayo 138,05 0,50

Junio 343,85 62,41

Julio 683,66 229,65

Agosto 827,78 287,03

Septiembre 520,84 80,19

Octubre 280,14 3,15

Noviembre 62,70 15,69

Diciembre 175,47 62,29

Total 3526,52 906,67

Tabla 30. Coste eléctrico mensual

Una vez hemos estimado el consumo eléctrico mensual podemos conocer el gasto

económico debido al consumo eléctrico según el tipo de tarifa eléctrica.

Actualmente la industria tiene contratada la tarifa para alta tensión 6.1A, es decir con

seis periodos tarifarios donde el coste del kWh es distinto según la franja horaria y el

mes del año en el que se produzca el consumo. En el Anexo 4 se adjuntan los costes

eléctricos para las distintas tarifas eléctricas.

La distribución de los periodos para la tarifa 6.1A también ha sido adjuntada en el Anexo

4 de la memoria.

Una vez conocidos los consumos eléctricos y el coste energético para cada periodo del

año según el tipo de tarifa, podemos calcular el coste económico para la situación inicial

y para la situación optimizada en la que hemos aplicado la solución óptima.


81

Inicial

[€] Optimizada

[€] Ahorro

[€]

Enero 178,74 64,96 113,78

Febrero 19,72 5,43 14,29

Marzo 13,70 2,30 11,40

Abril 2,42 0,00 2,42

Mayo 10,56 0,04 10,52

Junio 184,16 34,24 149,92

Julio 339,51 120,21 219,30

Agosto 410,20 148,46 261,74

Septiembre 273,73 49,71 224,02

Octubre 167,28 2,44 164,84

Noviembre 10,29 1,72 8,58

Diciembre 22,79 6,95 15,84

ANUAL 1633,10 436,45 1196,65 Tabla 31. Coste económico mensual

Finalmente, mediante las estimaciones realizadas para obtener el coste económico

necesario para climatizar nuestro edificio hemos calculado un ahorro de 1196,65 euros

anuales, es decir un 73% del coste inicial.

En el cálculo del ahorro económico no hemos tenido en cuenta el presupuesto de las

medidas a adoptar.


82

6 Conclusiones

Mediante el análisis energético realizado para el edificio en cuestión hemos observado

la gran capacidad de actuación. En primer lugar, en la mejora del confort del usuario a

lo largo de todo el año el cual sufrirá en menor medida la diferencia de temperatura

entre el ambiente exterior y el interior. En segundo lugar, en la variedad de medidas

para mejorar la envolvente térmica que existen, según las características de nuestro

edificio y según el objetivo que queramos conseguir con ellas.

Respecto al modelo que hemos configurado para que se asemejara al edificio que hemos

estudiado, hay que destacar que aunque hemos aproximado al máximo las

características y configuraciones del mismo, sería necesario una validación del mismo

mediante la medición durante un periodo de tiempo de las condiciones interiores y

poder verificarlas con las obtenidas con el modelo creado en Trnsys.

Finalmente si observamos los resultados obtenidos son muy positivos, ya que hemos

conseguido una reducción del 74% de la demanda anual debida a la calefacción y

refrigeración del propio edificio. Este resultado es más importante que el ahorro

económico, el cual si introducimos el coste económico de las mejoras adoptadas no

resulta tan significante. Otro aspecto al cual no le hemos prestado su debida importancia

es la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera que son una consecuencia directa

de la reducción de la demanda energética necesaria.


83

7 Bibliografía

[1] http://www.plastisax.com/empresa/

[2]http://www.idae.es/uploads/documentos/documentos_18_Guia_tecnica_instalacio

nes_de_climatizacion_por_agua_ed78f988.pdf

[3] http://procesosbio.wikispaces.com/Carta+Psicrom%C3%A9trica

[4] http://web.mit.edu/parmstr/Public/TRNSYS/04-MathematicalReference.pdf

[5] http://www.codigotecnico.org/index.php/es/menu-ahorro energia

[6] http://www.apabcn.cat/Documentacio/areatecnica/legislacio/CTE_DB_HE.pdf

[7] http://ventanasinfo.com/vidrios-para-ventanas/

[8] http://www.qualumsign.com

[9]http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/DIAGRAMA.PSICROMETRICO.CONDENSACIONE

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[10] http://www.coac.net/mediambient/Life/l3/l3230.htm

[11] http://cte-web.iccl.es/materiales.php?a=14

[12] http://www.five.es/descargas/archivos/P1_portada.pdf

[13]https://www.iberdrola.es/02sica/gc/prod/es_ES/hogares/docs/Triptico_tarifas201

5.pdf

[14] http://www.indeso.es/Calendario%206.1A%202015%20Peninsular.pdf

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https://www.iberdrola.es/02sica/gc/prod/es_ES/hogares/docs/Triptico_tarifas2015.pdf


84

8 Anexos

8.1 Anexo 1

Tabla 32. Transmitancias límite para la zona climática B3


85

8.2 Anexo 2

Tabla 33. Condiciones exteriores para distintas localidades según el apéndice C del DA-DB-HE-2


86

8.3 Anexo 3


87

8.4 Anexo 4


88

9 Presupuesto del estudio

N° Descripción Precio hora

Horas Coste

1 Desplazamiento a la industria y adquisición de datos

20 € 6 120 €

2 Configuración del modelo en Trnsys 20 € 150 3000 €

3 Simulación, análisis y comprobación de las modificaciones introducidas al modelo inicial

20 € 48 96 €

4 Redacción de la memoria del proyecto 20 € 50 100 €

5 Búsqueda de información 20 € 20 400 €

TOTAL (IVA incl)= 3716 €

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